À propos de SOLEIL

Qu'est-ce que SOLEIL ?

SOLEIL fait partie des Très Grandes Infrastructures de Recherche (TGIR) françaises, c’est-à-dire des outils possédant des caractéristiques uniques requises pour la conduite d'activités de recherche de haut niveau, ouverts à toute communauté scientifique souhaitant l'utiliser, et accessibles sur la base de l'excellence des projets.

Installation de très haute technologie, SOLEIL est à la fois une plateforme ouverte à l’ensemble des communautés académiques et industrielles, un laboratoire de recherche de pointe et pluridisciplinaire, et un lieu d'accueil de tous les publics pour partager la culture scientifique. SOLEIL, situé au cœur du pôle scientifique Paris-Saclay, et est constituée en société civile* fondée conjointement par le CNRS et le CEA.

Plus concrètement, SOLEIL produit le rayonnement synchrotron, une lumière extrêmement brillante qui permet d’explorer la matière inerte ou biologique jusqu’à l’échelle atomique, grâce à des accélérateurs de particules (des électrons). La lumière produite couvre une large gamme de longueurs d’onde (des infrarouges aux rayons X) et est exploitée dans des installations expérimentales appelées « lignes de lumière ».

Les missions de SOLEIL sont, telles que décrites dans les statuts de la société :

• Construire et exploiter une source de rayonnement synchrotron et les dispositifs expérimentaux associés
• Conduire des programmes de recherche en utilisant ce rayonnement synchrotron et développer ses applications
• Mettre ses équipements à la disposition des communautés scientifiques intéressées, nationales, européennes et internationales, et favoriser leur utilisation par celles-ci
• Collaborer et échanger avec les autres installations synchrotron.

 
Le synchrotron SOLEIL, outil unique à la fois en matière de recherche académique et d’applications industrielles, a ouvert à la communauté scientifique en 2008. Il est utilisé annuellement par plusieurs milliers de chercheurs et chercheuses français et étrangers, à travers un large éventail de disciplines telles que la physique, la biologie, la chimie, l’astrophysique, l’environnement, les sciences de la terre, etc. Ces utilisateurs et utilisatrices sont accueillis et accompagnés sur les lignes de lumière par les équipes scientifiques et techniques de SOLEIL.

*société civile : Dans le domaine juridique, les termes société civile désignent toute société ou entreprise à caractère non-commercial. Une société civile est régie par le Code civil, contrairement aux autres formes de société soumises au droit commercial.

Comment fonctionne SOLEIL ?

Pour tout comprendre en 3 minutes, regardez la vidéo « Une source de lumière pour la recherche ».

On vous donne plus de détails ici. Le rayonnement synchrotron est une lumière émise par des électrons ultra-relativistes, c’est-à-dire circulant à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide. Pour satisfaire ces conditions et produire un rayonnement de qualité, SOLEIL fait fonctionner trois accélérateurs.

La première étape est de créer les électrons. Pour cela, plusieurs milliards d’entre eux sont arrachés à une pastille de métal (du tungstène) de la taille d’une pièce de 2 euros, puis sont accélérés et rassemblés par paquets, de quelques centimètres de long, dans le LINAC (LINear ACcelerator). Au bout de cet accélérateur linéaire de 16 m de long, les électrons atteignent un premier niveau d’énergie : 100 MeV. Pour que les électrons soient accélérés, il ne doit pas y avoir d’obstacle sur leur parcours, tout au long de leur odyssée dans les accélérateurs de SOLEIL, ils circulent donc dans une chambre à vide. Il s’agit d’un tube de moins de 10 cm de diamètre dans lequel on maintient, grâce à différents dispositifs de pompage, un vide très poussé.

Après cette première accélération, le faisceau d’électrons est dirigé vers un deuxième accélérateur appelé Booster qui augmente leur énergie tour après tour, jusqu'à la valeur de fonctionnement de SOLEIL soit 2,75 GeV (2,75 milliards d’électronvolts). Pour accélérer, guider et focaliser les électrons, on utilise des champs électriques et des champs magnétiques produits par divers types de dispositifs. Les électrons sont accélérés en passant dans des cavités radiofréquence (RF), guidés en traversant des dipôles (ou aimants de courbure), et maintenus confinés dans un espace comparable à un cheveu grâce à des systèmes magnétiques appelés quadrupôles et sextupôles.

Les électrons sont ensuite « injectés et accumulés » dans l’anneau de stockage de 354,097 mètres de circonférence, qui porte bien son nom, puisque l’on fait en sorte que les électrons y circulent le plus longtemps possible : on les stocke. En revanche, ce n’est pas un anneau au sens strict du terme, mais une sorte de polygone (à 32 côtés soit un dotriacontagone !), où des sections courbes alternent avec des sections droites.

A chaque virage dans chacun des 32 aimants de courbure (l’angle est de 11,25° pour chacun de ces dipôles), ces électrons ultra-relativistes perdent une petite fraction de leur énergie sous forme de photons, c’est-à-dire de lumière : c'est le rayonnement synchrotron, qui est émis vers l'avant et en ligne droite. Contrairement aux électrons, il est insensible au champ magnétique et se propage lui aussi dans une chambre à vide vers chacune des lignes de lumière installées autour de l’anneau. Entre deux dipôles, les électrons vont « globalement » tout droit, que ce soit dans les quadrupôles, les sextupôles ou les sections droites sans champ magnétique. Afin de produire encore plus de rayonnement synchrotron, on peut installer dans ces sections droites des « onduleurs » qui sont une succession de dipôles courts avec un champ magnétique alterné : les électrons qui les traversent font de nombreux petits virages en zigzag sur une courte distance et émettent à chaque fois de la lumière, avant de reprendre leur trajet dans l’anneau de stockage à la sortie de l'onduleur. Le nombre de photons émis est ainsi significativement augmenté comparé à celui émis lors de la traversée d'un dipôle.
 
Après chaque tour d’anneau, puisqu’ils ont traversé des dipôles et des onduleurs, les électrons ont perdu une partie de leur énergie initiale. Si on ne fait rien, l'énergie diminue tour après tour, et les électrons finissent par être perdus. Il faut donc compenser leur perte d'énergie à chaque tour pour qu’ils continuent de circuler dans l’anneau de stockage. Grâce à une onde Radio Fréquence (onde RF) puissante, stockée dans une cavité accélératrice traversée par les électrons, ceux-ci regagnent leur énergie perdue et repartent pour un tour. Cette compensation n’est cependant pas suffisante pour garder le nombre d’électrons constant, car des électrons sont également perdus lors de collisions entre eux ou bien avec des atomes du gaz résiduel dans la chambre à vide. C’est pourquoi tout le processus d’accélération dans le LINAC et le Booster est redémarré environ toute les 2 minutes mais seulement pour remplacer le nombre les électrons perdus. C’est le « Top-up » qui permet de garantir la stabilité de l’intensité du faisceau d’électrons au cours du temps, essentielle pour les expériences.

C'est un seul et même faisceau d'électrons stocké dans l'anneau qui produit le rayonnement synchrotron utilisé par les 29 lignes de lumière de SOLEIL. Ces 29 laboratoires de recherche fonctionnent tous en même temps et indépendamment les uns des autres. 
Chaque ligne de lumière est composée généralement de 3 parties :
- une partie optique, où une partie du rayonnement est sélectionnée et conditionnée par des systèmes optiques,
- une partie consacrée aux expériences d’analyse de la matière, 
- une zone de pilotage à distance des différents équipements.

Le type de lumière (sa « couleur », son énergie ou sa longueur d’onde) exploité par chaque ligne de lumière varie de l’une à l’autre, entre les infrarouges et les rayons X (voir schéma). Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, ou de chimie, ou de sciences de la Terre, ..., instrumenté pour préparer et analyser les échantillons à étudier à l'aide du rayonnement, et traiter les informations recueillies ... 
Le bon fonctionnement des accélérateurs et des lignes de lumière s’appuie sur tout un ensemble d’équipes aux compétences variées : électronique, informatique, détecteurs, optique, vide, magnétisme, préparation et caractérisation des échantillons, …

Pour en apprendre plus sur le fonctionnement de SOLEIL, découvrez nos vidéos « Voyage au cœur des accélérateurs ». 

A quoi sert SOLEIL ?

Quels matériaux pour les batteries de demain ? Comment concevoir des ordinateurs plus compacts et moins énergivores avec les matériaux quantiques ? Comment combattre les bactéries résistantes aux antibiotiques ? Comment préserver les plantes face au changement climatique ? Quelle est la composition des astéroïdes ? Quels étaient les procédés métallurgiques de fabrication des armures au Moyen âge ?
Les caractéristiques exceptionnelles du rayonnement synchrotron permettent de contribuer à répondre à ces questions. A SOLEIL, les chercheurs et chercheuses étudient donc la matière, des « échantillons », sous toutes ses formes, liquide, solide ou gazeuse, dans diverses conditions (hautes ou basses température et pression, contraintes mécaniques, sous différentes atmosphères, …)
L’analyse de l’interaction de la lumière synchrotron  avec la matière donne en effet accès à de nombreuses propriétés des échantillons étudiés, jusqu’à l’échelle atomique :
- La manière dont l’échantillon absorbe la lumière renseigne par exemple sur ses propriétés chimiques (techniques d’analyse dites d’absorption)

- La manière dont l’échantillon dévie la lumière informe sur sa structure (techniques de diffusion et diffraction)

- Si la lumière peut arracher des électrons à la matière, leurs caractéristiques permettent de déduire certaines des propriétés électroniques ou magnétiques de l’échantillon (techniques de photoémission)

- L’intensité de la lumière produite et sa cohérence permettent de prendre des images, en 2 ou en 3 dimensions, des échantillons à de très hautes résolutions.

- La combinaison de ces techniques permet en outre de dresser des cartographies très précises et quantitatives des propriétés chimiques, structurales, électriques et magnétiques de toutes sortes d’échantillons.

Chaque ligne de lumière est spécialisée dans une ou plusieurs de ces techniques expérimentales, tout comme elle est spécialisée sur une gamme de « couleurs » (longueurs d’onde) de lumière. En étudiant leurs échantillons sur plusieurs lignes de lumière, les chercheurs et chercheuses disposent donc d’informations complémentaires pour répondre à leur problématique. 
Pour en apprendre plus la recherche faite à SOLEIL, retrouvez : 
- nos actualités
- des exemples de recherches 
- nos vidéos sur les applications