Exposition : Des millards de photons pour explorer la matière

Contact Service Communication :L’Orme des Merisiers, Saint-Aubin, BP48 - 91192 Gif-sur-Yvette Cedex

tél. : 01 69 35 90 20 - www.synchrotron-soleil.fr

Des milliards de photonspour explorer la matière



CENTRE NATIONALDE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE

MINISTÈREDE LA RECHERCHE


SOLEIL, la source française de rayonnement

synchrotron fournira, dès début 2007, aux

communautés scientifiques et industrielles, une

lumière aux caractéristiques exceptionnelles.

Les performances de ce rayonnement électromagnétique

(brillance et gamme spectrale s’étendant des infrarouges

aux rayons X) ouvrent de nouvelles perspectives pour

sonder la matière. Ce très grand équipement de recherche

accueillera chaque année plus de 2000 utilisateurs issus de

domaines aussi variés que la biologie, la chimie, la science des

matériaux, l’environnement, la physique, les sciences de la

Terre ou le patrimoine culturel et l’archéologie.

Photo aérienne du chantier duSynchrotron, prise

le 1er juin 2005

Vue en 3D du Synchrotron SOLEIL

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Diffuser la connaissance scientifiqueune mission de SOLEIL

Diffuser la connaissance scientifique :

une mission de SOLEIL

Le public est maintenant accueilli à SOLEIL

dans un bâtiment dédié à l'information

scientifique et technique.

Au programme des visites : diaporama, maquettes et ateliers

d'expériences centrées sur le thème « interactions lumière -

matière » en attendant de pouvoir visiter le Synchrotron

lui-même, lorsque le chantier sera terminé.

Le public vient à SOLEIL, mais SOLEIL se déplace aussi : Fête

de la Science, forums, conférences grand public, avec des

outils variés : brochures, expositions itinérantes, site internet,

CD ROM...

De nombreux outils péda-

gogiques, comme les mal-

lettes, traitant de thèmes

liés à la lumière, au rayon-

nement synchrotron et à

ses applications, sont gra-

tuitement mis à disposition

des enseignants et de tous

ceux qui le souhaitent.

Pour commander gratuitement les outils pédagogiques :http://www.synchrotron-soleil.fr/francais/scolaires/

Contact pour toute visite : [email protected] ou tél.: 01 69 35 90 22

Fête de la Science 2003

La Villette 2005La Villette 2004

Des faisceaux de photons pour explorer la matière

Des faisceaux de photons pour explorer la matière

SOLEIL est une machine constituée de 3 parties

(2 accélérateurs et 1 anneau de stockage

d’électrons) dont le but est de produire un

rayonnement électromagnétique caractéristique

appelé « lumière synchrotron ».

Les électrons accélérés jusqu’à une énergie de 100 MeV

dans le LINAC (accélérateur linéaire), sont transférés dans le

Booster (accélérateur circulaire) qui monte leur énergie

jusqu’à 2,75 GeV. Injectés dans l’anneau de stockage, les

électrons ont alors une vitesse proche de celle de la lumière

et sont concentrés en un faisceau du diamètre d’un cheveu.

Brillance sur onduleur, wiggler ouaimant de courbure

Schéma de principe

Dipôle

Progression des performancesdes sources de rayonnement X

en un siècle

Onduleur

A chaque courbure imposée à leur

trajectoire - dans les dipôles ou les

onduleurs magnétiques -, ils émet-

tent des photons : le rayonnement

synchrotron.

Capté en différents points de l’an-

neau, le rayonnement synchrotron

est sélectionné et exploité dans les

lignes de lumière, chacune étant

dédiée à une technique d’analyse

de la matière : cristallographie, spec-

troscopie et imagerie, diffraction et

diffusion, absorption, microscopie…

SOLEIL a été conçu pour que le

rayonnement émis réponde à

toutes les exigences techniques

des utilisateurs : brillance, stabili-

té, gamme de longueur d’onde,

polarisation …

Contact Division Sources et Accélérateurs : [email protected] tél.: 01 69 35 98 05

24 lignes de lumière pour exploiter le rayonnement synchrotron

Le rayonnement synchrotron est une lumière

blanche, 10 000 fois plus intense que la lumière

solaire et composée de toutes les longueurs

d’ondes depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons

X en passant par le visible.

Prélevé tout autour de l’anneau de stockage, le

rayonnement synchrotron se propage dans

les lignes de lumière. Animée par sa propre

équipe de chercheurs et d’ingénieurs, chaque ligne est un

véritable laboratoire qui possède un ou plusieurs grands

domaines d’application (domaines scientifiques, secteurs

industriels, enjeux sociétaux). SOLEIL aura ouvert 24 lignes

de lumière à l’horizon 2010 et pourra en accueillir jusqu’à 43.

Une ligne de lumière est formée de 3 cabines successives :

1. la cabine optique : les dispositifs optiques

sélectionnent dans la lumière synchrotron, les

caractéristiques recherchées pour l’expérience :

longueur d’onde ou gamme de longueur d’onde,

taille du faisceau, polarisation…

2. la cabine d’expérience : la lumière interagit

avec l’échantillon étudié

3. la station de travail :

les chercheurs contrôlent

les paramètres de

l’expérience, collectent

et commencent à traiter

les données obtenues. Schéma d’une ligne de lumière

Visualisation du rayonnementsynchrotron par ionisation

de l’air

24 lignes de lumière pour exploiterle rayonnement synchrotron

Les différentes lignes de lumière de SOLEIL

Contact Division Expériences : [email protected] ou [email protected] tél.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13

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Une forte ouverture vers l'industrieet les grands enjeux de société

SOLEIL est en relation avec les entreprises

et les acteurs de grands enjeux sociétaux :

environnement, patrimoine culturel,

santé publique…

Les techniques et procédés employés

à SOLEIL couvrent la plupart des

besoins d'analyse et de caractérisa-

tion de matériaux pour la recherche,

le développement ou le contrôle de

qualité, de métrologie, de fabrication

(micro-objets, nouvelles molécules

actives) voire de développement bio-

médical.

Les principales applications concernent de nombreux

secteurs industriels : pharmacie, cosmétiques, agro-

alimentaire, chimie, matériaux, électronique et télécom-

munications, transport, énergie, défense et certains

grands enjeux de société (santé publique, environnement,

patrimoine culturel et archéologie, police scientifique…).

Modalités d’accès et de séjours, règles de partenariat et de

confidentialité, accueil et conseil, tout est déjà mis en place

à SOLEIL pour faciliter l’utilisation de la lumière aux acteurs

de l’industrie et des enjeux sociétaux.

Image en 3D du polystyrène (mousse) obtenue par tomographie

Une forte ouverture vers l’industrieet les grands enjeux de société

Comparaison de diagrammes de diffraction desrayons X de deux poudres pharmaceutiques

Vue intérieure de la Sainte Chapelle (Paris). Sesvitraux font actuellement l’objet d’études sur synchrotron

Structure d’une protéine de la bactérie responsable de la tuberculose :à la recherche des cibles pour les nouveaux médicaments

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Fragment de modèle atomique d’un filament dekératine (diamètre 7,5 nm)

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Contact Relations Industrielles et Grands Enjeux de Société :[email protected] ou tél.: 01 69 35 90 05

Les domaines d’application de SOLEILLes domaines d’application de SOLEIL

De nombreux scientifiques, industriels et acteurs

sociétaux couvrant un large ensemble d’activités

de recherche fondamentale ou appliquée, sont

intéressés par les qualités du rayonnement

produit à SOLEIL.

La brillance de la source permet en particulier de diminuer :• La taille de l’échantillon analysé

(exemple : nanotechnologie)• Le seuil de détection de certaines mesures

(exemple : dosage de traces de polluants)• Le temps d’analyse de l’échantillon

(exemple : suivi d’une réaction chimiqueultra-rapide)

En recherche fondamentale :• Physique, chimie, sciences des matériaux • Biologie, sciences de la Terre et de l’atmosphère• Astrophysique.

En recherche appliquée :• Pharmacie, cosmétologie,

agroalimentaire• Matériaux, électronique

et télécommunications, transport et énergie

• Environnement, patrimoineculturel, santé publique, défense nationale.

Image chimique des lipides dansune coupe de cheveu obtenuepar microscopie infrarouge

Les principaux domaines d’application de SOLEIL

Structure 3D de l’urateoxydase obtenue par diffraction des rayons X

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Contact Recherche Appliquée : [email protected] ou tél.: 01 69 35 90 05Contact Recherche Fondamentale : [email protected] ou tél.: 01 69 35 96 52

BiotechnologiesBiologie

ParachimieChimie

ElectroniquePhysique

Science des matériauxMécaniqueSciences de l’environnement

Patrimoine, Archéologie

MédecinePharmacie

GéophysiqueMétallurgie

LIGA : un procédé de fabrication de micro-objets de haute précision

utilisant le rayonnement synchrotronLIGA : un procédé de fabrication de micro-objets de haute précision

utilisant le rayonnement synchrotronBasé sur le principe du pochoir, le LIGA permet

la production en série de micro-objets ayant

une taille comprise entre quelques microns

et quelques millimètres.

Les étapes du procédé LIGA*1.Un faisceau de rayons X durs imprime une résine de

polymère (épaisseur de l’ordre d’un demi millimètre), sur laquelle a été disposé un masque dont la géométrie correspond à celle des micro-objets à fabriquer. On obtient une gravure sur toute l’épaisseur de la résine.

2.Les parties non protégées par le masque sont dissoutes parun solvant approprié, laissant apparaître un moule en résine.

3.Du métal est électro-déposé autour de la résine, donnant une réplique métallique négative de la structure en résine.

4.Cette réplique métallique peut à son tour être utilisée commemoule pour fabriquer des micro-objets en série, à partir de divers matériaux (polymères, céramiques).

Les principaux avantages du LIGA par rapport aux autresprocédés de micro-fabrication :

• Les microstructures obtenues ont des parois parfaitement verticales et lisses

• Le facteur de forme (rapport hauteur / largeur de l’objet) est élevé et peut aller jusqu’à 100

• Il est possible de réaliser des micro-objets de formes complexes, isolés ou constitutifs d’une structure massive

• Les micro-objets sont fabriqués dans des matériauxvariés : polymères, métaux, alliages et céramiques

Les domaines d’application du LIGA :

Micro-électronique, micro-optique, industrie de la défense,

micro-fluidique, micro-robotique, biotechnologies, santé.

Aligneurs pour micro-lentilles

*LIGA : acronyme allemand de Lithographie

Galvanoformung Abformung (Lithographie

Electroformage Moulage en français)

Engrenage de micro-moteur “actionné” par une fourmi

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Principales étapes duprocédé LIGA

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Contact LIGA : [email protected] tél.: 01 69 35 90 05

Microscopie et imagerie moléculaire dans le domaine de l'infrarouge

Microscopie et imagerie moléculaire dans le domaine de l’infrarouge

La spectroscopie infrarouge permet la reconnaissance de groupements

moléculaires (fonctions chimiques et/ou liaisons caractéristiques entre deux

atomes) grâce à leurs absorptions spécifiques dans ce domaine de longueur

d’onde.

Cette étude permet donc de remonter à la structure d’unemolécule ou/et de déterminer la présence d’une moléculedans un échantillon.La combinaison de la spectroscopie infrarouge avec uneplatine de déplacement permet d’établir la cartographiedes fonctions chimiques sur l’échantillon étudié. Le rayonnement synchrotron permet une résolution spatiale de 3 µm - contre seulement 10 µm pour unesource classique.

Les étapes successives de l’obtention d’une image (exemple d’expérience menée sur la ligne MIRAGE au LURE)

1) Identification de la partie de l’échantillon à analyser

2) Sélection des zones à analyser et du pas de déplacement de l’échantillon sur la platine

3) Enregistrement d’un spectre par point d’analyse

4) L’échantillon est alors déplacé du passélectionné et un nouveau spectre estenregistré et ainsi de suite sur toute la

zone de l’échantillon à étudier

5) Le pic d’absorption correspondant àla fonction recherchée est alors

sélectionné afin d’obtenir l’image (la hauteur du pic est proportionnelle

à la quantité présente)

Contact Division Expériences : [email protected] ou [email protected]él.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13

Tube rempli de cosmétiqueégyptien

Zone analysée par spectro-microscopieinfrarouge. Le rectangle blanc représente la zone analysée et le carréblanc représente la taille du faisceau,soit la taille de chaque pixel où se font les acquisitions.

Images chimiques obtenues sur la zone étudiée de l’échantillon.A) cartographie des liaisons CH

(chaînes alkyls)B) cartographie des liaisons CO2

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(carboxylates)C) cartographie d’un composé minéral

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Exemple : analyse de la composition chimique de cosmétiques antiques égyptiens

Application des rayons XApplication des rayons X

Diffraction X appliquée à la biologieConnaître la fonction des protéines est un des enjeux de labiologie moderne. La fonction dépend de la complexité dela structure atomique. On peut la déterminer en utilisant la diffraction des rayons X très intenses produits par lessynchrotrons.

Fluorescence X appliquée à l’environnement : exempledu piégeage du zinc par un débris végétal au contactd’un fragment de déchet industriel.Comme le fait la cartographie enspectroscopie infrarouge pour caractériser les différentes liaisons chimiques, la cartographie en fluo-rescence X représente, elle, les pics d’émission caractéristiques des éléments chimiques.En se calant sur la raie d’émissionpar fluorescence du zinc, onobtient la figure ci-contre quimontre que le déchet est extrême-ment riche en zinc (la couleur sature,en blanc) et que ce métal est en trainde pénétrer dans la racine.Ce type d’étude devient essentiel pourle diagnostic ou la mise en place destratégie d’assainissement de sites pollués.

Après interaction avec la matière, les rayons X peuvent être diffractés, absorbés ou réémis selon

différents phénomènes comme la fluorescence.

Cristal de protéine Spectre de la lumière

Cliché de diffraction

Modélisation d’un fragment deprotéine tracé par sa densité électronique

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1- Après avoir été isolée et purifiée, la protéine est cristallisée. Ces premièresétapes sont longues et délicates.

2- Afin d’obtenir une figure de diffraction exploitable, la longueur d’onde de la lumière envoyéesur le cristal doit être du même ordre de grandeur que la taille des atomes

soit de 10–10 m. C'est le domaine des rayons X.

3- Afin d’obtenir les informations suffisantes pourreconstituer la molécule en trois dimensions, on faitpivoter le cristal sur lui-même et on enregistre des

centaines de clichés de diffraction.

4- Le traitement mathématiquedes données permet d’atteindrela carte de densité électroniqueà partir de laquelle, il est possible de modéliser la structure de la protéine.

Contact Division Expériences : [email protected] ou [email protected]él.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13

Racine de maïs à proximitéd’un déchet industriel

Distribution du zinc dansune racine

Rétrospective…Rétrospective…

Contact Service Communication :L’Orme des Merisiers, Saint-Aubin, BP48 - 91192 Gif-sur-Yvette Cedex

tél. : 01 69 35 90 20 - www.synchrotron-soleil.fr

Le site sous la neige, janvier 2002

Empreinte du Synchrotron, juillet 2003

Fin des fondations, janvier 2004

Pose de la charpente, juin 2004

Pose de la toiture, juin 2004

Vue aérienne du 28 février 2005

Vue aérienne du 1er juin 2005

Sortie de ligne

Cryomodule de l’anneau de stockage

LINAC

Quadrupôles

Sextupôle

Dipôle de l’anneaude stockage

Dipôle du booster

Onduleur HU256

Poutre où sont alignésles aimants

Onduleur HU640

Bobine de l’onduleur HU640

Documents

Exposition : Des millards de photons pour explorer la matière