Exposition : Des millards de photons pour explorer la matière

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Première exposition institutionnelle de SOLEIL, cette série de 12 panneaux présente le synchrotron SOLEIL sous toutes ses facettes : son fonctionnement, ses applications, ses missions ... Complétée par les mallettes pédagogiques et la documentation SOLEIL, il s'agit d'une exposition qui peut préparer ou suive une visite de ce très grand instrument de recherche.

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Exposition : Des millards de photons pour explorer la matière

  1. 1. Des Des milliards dede photons milliards photons pour explorer la matière 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
  2. 2. Des milliardsphotons Des milliards de de photons explorer la matière pour explorer la matière pour SOLEIL, la source française de rayonnement Les performances de ce rayonnement électromagnétique (brillance et gamme spectrale s’étendant des infrarouges synchrotron fournira, dès début 2007, aux aux rayons X) ouvrent de nouvelles perspectives pour communautés scientifiques et industrielles, une sonder la matière. Ce très grand équipement de recherche lumière aux caractéristiques exceptionnelles. 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.© Atelier d’architecture Chaix & Morel associés Vue en 3D du Synchrotron SOLEIL Photo aérienne du chantier du Synchrotron, prise le 1er juin 2005 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE MINISTÈRE DE LA RECHERCHE
  3. 3. Diffuserconnaissance scientifique :scientifique Diffuser la la connaissance mission une mission de SOLEIL une de SOLEIL Le public est maintenant accueilli à SOLEIL Au programme des visites : diaporama, maquettes et ateliers dexpériences centrées sur le thème « interactions lumière - dans un bâtiment dédié à linformation matière » en attendant de pouvoir visiter le Synchrotron scientifique et technique. lui-même, lorsque le chantier sera terminé. Le public vient à SOLEIL, mais SOLEIL se déplace aussi : Fête Fête de la Science 2003 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. La Villette 2004 La Villette 2005 Pour commander gratuitement les outils pédagogiques : http://www.synchrotron-soleil.fr/francais/scolaires/Contact pour toute visite : webmail@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 90 22
  4. 4. Des faisceaux de photons Des faisceaux de photons explorer la matière pour explorer la matière pour SOLEIL est une machine constituée de 3 parties A chaque courbure imposée à leur trajectoire - dans les dipôles ou les (2 accélérateurs et 1 anneau de stockage onduleurs magnétiques -, ils émet- d’électrons) dont le but est de produire un tent des photons : le rayonnement rayonnement électromagnétique caractéristique synchrotron. appelé « lumière synchrotron ». Capté en différents points de l’an- neau, le rayonnement synchrotron Les électrons accélérés jusqu’à une énergie de 100 MeV est sélectionné et exploité dans les dans le LINAC (accélérateur linéaire), sont transférés dans le lignes de lumière, chacune étant Booster (accélérateur circulaire) qui monte leur énergie dédiée à une technique d’analyse jusqu’à 2,75 GeV. Injectés dans l’anneau de stockage, les de la matière : cristallographie, spec- Progression des performances électrons ont alors une vitesse proche de celle de la lumière troscopie et imagerie, diffraction et des sources de rayonnement X en un siècle et sont concentrés en un faisceau du diamètre d’un cheveu. diffusion, absorption, microscopie…Dipôle 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 … Brillance sur onduleur, wiggler ou Onduleur aimant de courbure Schéma de principe Contact Division Sources et Accélérateurs : sabine.podgorny@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 98 05
  5. 5. 24 lignes de lumière pour exploiter 24 lignes de lumière pour exploiter le rayonnement synchrotron le rayonnement synchrotron Le rayonnement synchrotron est une lumière équipe de chercheurs et d’ingénieurs, chaque ligne est un véritable laboratoire qui possède un ou plusieurs grands blanche, 10 000 fois plus intense que la lumière domaines d’application (domaines scientifiques, secteurs solaire et composée de toutes les longueurs industriels, enjeux sociétaux). SOLEIL aura ouvert 24 lignes d’ondes depuis linfrarouge jusquaux rayons de lumière à l’horizon 2010 et pourra en accueillir jusqu’à 43. X en passant par le visible. Une ligne de lumière est formée de 3 cabines successives : 1. la cabine optique : les dispositifs optiques Prélevé tout autour de l’anneau de stockage, le sélectionnent dans la lumière synchrotron, les rayonnement synchrotron se propage dans caractéristiques recherchées pour l’expérience : les lignes de lumière. Animée par sa propre longueur d’onde ou gamme de longueur d’onde, taille du faisceau, polarisation… 2. la cabine d’expérience : la lumière interagit ©M.Krumrey, ESRF avec l’échantillon étudié 3. la station de travail : les chercheurs contrôlent Visualisation du rayonnement synchrotron par ionisation les paramètres de de l’air l’expérience, collectent et commencent à traiter les données obtenues. Schéma d’une ligne de lumière Les différentes lignes de lumière de SOLEILContact Division Expériences : sandrine.vasseur@synchrotron-soleil.fr ou sylvie.koguc@synchrotron-soleil.fr tél.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13
  6. 6. Une forte ouverture vers vers lindustrie Une forte ouverture l’industrie etet les grands les grandsenjeux de société enjeux de société SOLEIL est en relation avec les entreprises Les techniques et procédés employés à SOLEIL couvrent la plupart des et les acteurs de grands enjeux sociétaux : besoins danalyse et de caractérisa- environnement, patrimoine culturel, tion de matériaux pour la recherche, ©M. Er Rafik, LPS-Orsay santé publique… le développement ou le contrôle de qualité, de métrologie, de fabrication (micro-objets, nouvelles molécules actives) voire de développement bio- Fragment de modèle atomique d’un filament de médical. kératine (diamètre 7,5 nm) ©E.Boller et P.Cloetens, ESRF ©J. Doucet, LURE Les principales applications concernent de nombreux secteurs industriels : pharmacie, cosmétiques, agro- alimentaire, chimie, matériaux, électronique et télécom-Comparaison de diagrammes de diffraction desrayons X de deux poudres pharmaceutiques munications, transport, énergie, défense et certains Image en 3D du polystyrène (mousse) obtenue par tomographie grands enjeux de société (santé publique, environnement, patrimoine culturel et archéologie, police scientifique…). ©Guimaraes BG et al, Institut ©F.Farges - SLS/SOLEIL Modalités d’accès et de séjours, règles de partenariat et de confidentialité, accueil et conseil, tout est déjà mis en place Pasteur à SOLEIL pour faciliter l’utilisation de la lumière aux acteurs Structure d’une protéine de la bactérie responsable de la tuberculose : Vue intérieure de la Sainte Chapelle (Paris). Ses de l’industrie et des enjeux sociétaux. à la recherche des cibles pour les vitraux font actuellement l’objet d’études sur nouveaux médicaments synchrotron Contact Relations Industrielles et Grands Enjeux de Société : philippe.deblay@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 90 05
  7. 7. Les domaines d’application de SOLEIL Les domaines d’application de SOLEIL De nombreux scientifiques, industriels et acteurs La brillance de la source permet en particulier de diminuer : • La taille de l’échantillon analysé sociétaux couvrant un large ensemble d’activités (exemple : nanotechnologie) de recherche fondamentale ou appliquée, sont • Le seuil de détection de certaines mesures intéressés par les qualités du rayonnement (exemple : dosage de traces de polluants) • Le temps d’analyse de l’échantillon produit à SOLEIL. (exemple : suivi d’une réaction chimique ultra-rapide) Biotechnologies Biologie En recherche fondamentale : Parachimie Chimie • Physique, chimie, sciences des matériaux • Biologie, sciences de la Terre et de l’atmosphère • Astrophysique. Electronique Physique Géophysique Métallurgie En recherche appliquée : • Pharmacie, cosmétologie, ©T.Prangé & N.Colloc’h LURE/Caen Médecine Pharmacie agroalimentaire Science des matériaux Sciences de l’environnement Mécanique • Matériaux, électronique Patrimoine, Archéologie et télécommunications, Les principaux domaines d’application de SOLEIL ©P.Dumas LURE/SOLEIL transport et énergie • Environnement, patrimoine Image chimique des lipides dans culturel, santé publique, une coupe de cheveu obtenue Structure 3D de l’urate par microscopie infrarouge défense nationale. oxydase obtenue par diffraction des rayons X Contact Recherche Appliquée : philippe.deblay@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 90 05Contact Recherche Fondamentale : frederique.fraissard@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 96 52
  8. 8. LIGA : unun procédéde fabrication de micro-objets dede haute précision LIGA : procédé de fabrication de micro-objets haute précision utilisant le utilisant le rayonnement synchrotron rayonnement synchrotron Basé sur le principe du pochoir, le LIGA permet 3.Du métal est électro-déposé autour de la résine, donnant une la production en série de micro-objets ayant réplique métallique négative de une taille comprise entre quelques microns la structure en résine. et quelques millimètres. 4. Cette réplique métallique peut à son tour être utilisée comme ©LURE Les étapes du procédé LIGA* moule pour fabriquer des micro- 1. Un faisceau de rayons X durs imprime une résine de objets en série, à partir de divers Engrenage de micro-moteur polymère (épaisseur de l’ordre d’un demi millimètre), matériaux (polymères, céramiques). “actionné” par une fourmi sur laquelle a été disposé un masque dont la géométrie ©AXSUN Technologies Inc. Les principaux avantages du LIGA par rapport aux autres correspond à celle des micro-objets à fabriquer. On procédés de micro-fabrication : obtient une gravure sur toute l’épaisseur de la résine. • Les microstructures obtenues ont des parois 2. Les parties non protégées par le masque sont dissoutes par parfaitement verticales et lisses un solvant approprié, laissant apparaître un moule en résine. • Le facteur de forme (rapport hauteur / largeur de Aligneurs pour micro-lentilles 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 matériaux Principales étapes du variés : polymères, métaux, alliages et céramiques procédé LIGA Les domaines d’application du LIGA :*LIGA : acronyme allemand de LithographieGalvanoformung Abformung (Lithographie Micro-électronique, micro-optique, industrie de la défense,Electroformage Moulage en français) micro-fluidique, micro-robotique, biotechnologies, santé. Contact LIGA : philippe.deblay@synchrotron-soleil.fr ou tél.: 01 69 35 90 05
  9. 9. Microscopie imagerie moléculaire Microscopie et et imagerie moléculaire dans le domaine de de linfrarouge dans le domaine 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 ©M.Cotte et al, analytica Chimica Acta, 2005, in press d’onde. Zone analysée par spectro-microscopie infrarouge. Le rectangle blanc Tube représente la zone analysée et le carré rempli de blanc représente la taille du faisceau, cosmétique soit la taille de chaque pixel où égyptien se font les acquisitions. A) B) Images chimiques obtenues sur la zone étudiée de l’échantillon. A) cartographie des liaisons CH (chaînes alkyls) B) cartographie des liaisons CO2– (carboxylates) C) cartographie d’un composé minéral 1) Identification de la partie de 2) Sélection des zones à analyser et du pas de l’échantillon à analyser Exemple : analyse de la composition chimique de cosmétiques antiques égyptiens déplacement de l’échantillon sur la platine Cette étude permet donc de remonter à la structure d’une molécule ou/et de déterminer la présence d’une molécule dans un échantillon. ©P. Dumas, LURE 4) L’échantillon est alors déplacé du pas La combinaison de la spectroscopie infrarouge avec une sélectionné et un nouveau spectre est enregistré et ainsi de suite sur toute la zone de l’échantillon à étudier platine de déplacement permet d’établir la cartographie des fonctions chimiques sur l’échantillon étudié. 5) Le pic d’absorption correspondant à la fonction recherchée est alors Le rayonnement synchrotron permet une résolution sélectionné afin d’obtenir l’image (la hauteur du pic est proportionnelle à la quantité présente) 3) Enregistrement d’un spectre spatiale de 3 µm - contre seulement 10 µm pour une par point d’analyse source classique. Les étapes successives de l’obtention d’une image (exemple d’expérience menée sur la ligne MIRAGE au LURE)Contact Division Expériences : sandrine.vasseur@synchrotron-soleil.fr ou sylvie.koguc@synchrotron-soleil.fr tél.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13
  10. 10. Applicationdes rayons X X Application des rayons Après interaction avec la matière, les rayons X peuvent être diffractés, absorbés ou réémis selon différents phénomènes comme la fluorescence. Diffraction X appliquée à la biologie Fluorescence X appliquée à l’environnement : exemple Connaître la fonction des protéines est un des enjeux de la du piégeage du zinc par un débris végétal au contact biologie moderne. La fonction dépend de la complexité de d’un fragment de déchet industriel. la structure atomique. On peut la déterminer en utilisant Comme le fait la cartographie en Racine de maïs à proximité d’un déchet industriel la diffraction des rayons X très intenses produits par les spectroscopie infrarouge pour synchrotrons. caractériser les différentes liaisons chimiques, la cartographie en fluo- Cristal de protéine Spectre de la lumière rescence X représente, elle, les pics d’émission caractéristiques des éléments chimiques. En se calant sur la raie d’émission par fluorescence du zinc, on 2- Afin d’obtenir une figure de diffraction exploitable, la longueur d’onde de la lumière envoyée sur le cristal doit être du même ordre de grandeur que la taille des atomes obtient la figure ci-contre qui1- Après avoir été isolée et purifiée, soit de 10–10 m. Cest le domaine des rayons X. montre que le déchet est extrême-la protéine est cristallisée. Ces premièresétapes sont longues et délicates. ment riche en zinc (la couleur sature, en blanc) et que ce métal est en train Cliché de diffraction ©Van Oort, INRA de pénétrer dans la racine. Modélisation d’un fragment de protéine tracé par Ce type d’étude devient essentiel pour sa densité électronique le diagnostic ou la mise en place de 4- Le traitement mathématique stratégie d’assainissement de sites Distribution du zinc dans©E.Girard, IBS/Grenoble des données permet d’atteindre une racine la carte de densité électronique à partir de laquelle, il est pollués. possible de modéliser la structure de la protéine. 3- Afin d’obtenir les informations suffisantes pour reconstituer la molécule en trois dimensions, on fait pivoter le cristal sur lui-même et on enregistre des centaines de clichés de diffraction. Contact Division Expériences : sandrine.vasseur@synchrotron-soleil.fr ou sylvie.koguc@synchrotron-soleil.fr tél.: 01 69 35 96 14 ou tél.: 01 69 35 96 13
  11. 11. Rétrospective… Le site sous la neige, janvier 2002 Rétrospective… Sortie de ligne Empreinte du Synchrotron, juillet 2003 Poutre où sont alignés les aimants Bobine de l’onduleur HU640 Cryomodule Fin des fondations, de l’anneau janvier 2004 de stockageOnduleur HU256 Onduleur HU640 LINAC Dipôle du booster Quadrupôles Sextupôle Dipôle de l’anneau de stockage Pose de la charpente, juin 2004 Pose de la toiture, juin 2004 Vue aérienne du 1er juin 2005 Contact Service Communication : Vue aérienne du 28 février 2005 L’Orme des Merisiers, Saint-Aubin, BP48 - 91192 Gif-sur-Yvette Cedex tél. : 01 69 35 90 20 - www.synchrotron-soleil.fr

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