jeudi 17 juillet 2014

Ma 08/07 : L'instrumentation de l'ESRF

Juste après la pause café, nous sommes allés visiter l'ESRF avec le conférencier du cours précédent (concernant l'instrumentation des rayons X). Nous avons du changer de bâtiment : les cours sont donnés dans un amphithéâtre de l'ILL qui se trouve juste à côté du réacteur et de l'instrumentation de neutrons, tandis que l'anneau de l'ESRF, toute l'instrumentation qui le concerne ainsi que les bureaux relatifs à cette installation, sont dans un bâtiment séparé.


Nous sommes rentrés par les bâtiments administratifs qui sont tous beaux et tous propres, vraiment très claaaaasse et pro. L'allée centrale du bâtiment accédant au synchrotron en lui-même contient des maquettes du synchrotron et de son principe de fonctionnement. On s'y est arrêté un moment pour illustrer l'instrumentation de l'ESRF avant de rentrer dans le vif du sujet.
Une des maquettes en question

La zone de l'anneau de stockage, ou anneau de garde, n'est pas accessible lorsque le faisceau est en fonctionnement car les radiations y sont bien trop élevées. Nous ne sommes pas allés voir l'anneau de garde en lui-même. Le composition du bâtiment circulaire qu'on aperçoit sur toutes les photos est la suivante (de l'intérieur vers l'extérieur) : anneau de garde, beamlines, bureaux sur deux étages. Le tout étant également composé de nombreuses passerelles.



Nous sommes entrés dans le bâtiment contenant les beamlines par la passerelle qui sert de 1er étage et qui suit la circonférence du bâtiment. A cet endroit, une autre passerelle traverse la largeur de l'anneau pour rejoindre son centre et se rendre directement vers l'accélérateur (il permet d'accélérer les électrons produits par une source pour ensuite les injecter dans l'anneau de garde quand ils ont acquis la bonne vitesse). Les beamlines sont toutes composées d'au moins trois cabines blindées en plomb. Ca ressemble à de gros containers blancs et ça donne à l'ensemble une petite allure de dock. La première cabine, située juste à l'entrée du faisceau, est la cabine optique où on sélectionne les caractéristiques voulues pour le faisceau. La seconde est la cabine expérimentale où sont placés lentilles, échantillons, détecteurs et autres dispositifs pour maintenir l'échantillon dans un certain environnement (refroidir jusqu'à 4K, chauffer jusqu'à 900K, travailler sous flux de gaz, en appliquant des contraintes mécaniques, ...). Enfin, la troisième est la cabine de contrôle où l'utilisateur manipule les instruments via une interface (tous les éléments possèdent des moteurs qui ne peuvent être commandés que depuis la cabine de contrôle), collecte les données, définit les paramètres, ouvre ou ferme le faisceau, ...

Pour rappel ...
Toutes les cabines contenant des RX doivent être fermées correctement lorsque le faisceau est enclenché, pour éviter toute fuite de rayons X hors des cabines. Le processus de sécurité permettant de s'assurer que personne ne reste dans la cabine lors de l'utilisation est bien défini et vous sera expliqué dans le cadre de la formation de sécurité sur les beamlines.

A la gauche de la passerelle
Et à sa droite (cliquez pour agrandir !)
Ca, c'était pour la partie un peu technique, afin que vous sachiez plus ou moins comment ça s'organise. Visuellement, et comme pour le réacteur, le bâtiment est immense et on ne s'imagine pas que c'est comme ça. La zone des beamlines est très haute de plafond et, vu du 1er étage, comprend tous ces caissons (de la taille d'un conteneur) alignés autour de l'anneau de garde. L'ambiance est très jaune mais la lumière est confortable. Le bruit des différentes machines est omni-présent, comme un vrombissement sourd (et parfois moins sourd) en arrière-plan. C'est tout aussi impressionnant. Et j'ai retrouvé les petits cousines de la grue jaune du réacteur, disséminées un peu partout autour de l'anneau. 

Notre guide, après être entrés là-dedans et nous avoir montré la salle de contrôle (dans le couloir des beaux bâtiments chics administratifs), a encore passé un moment à discuter des éléments de l'anneau de stockage, qui sont présentés sur une petite plateforme dans la zone des beamlines. Il y a des "bending magnets" (aimants permettant de dévier le faisceau pour garantir une trajectoire en boucle et l'émission de rayons X), des aimants servant à focaliser le faisceau sur des portions rectilignes et des dispositifs dit "d'insertion" dans lesquels les électrons produisent aussi des faisceaux de rayon X, mais de meilleure qualité. Le synchrotron n'est donc pas un cercle parfait mais un polygone à 30 côtés environ, c'est un ensemble de sections droites reliées entre elles par des "bending magnets". 

Dispositif d'insertion
La grosse machine
Après cette petite présentation, nous sommes descendus de la passerelle qui sert de premier étage et nous nous sommes rendus dans les nouveaux bâtiments où sont mises en place les nouvelles beamlines, plus performantes, offrant différentes possibilités, etc. Il y a deux bâtiments supplémentaires à l'anneau qui y sont consacrés, nommés "Belledone" et "Chartreuse" en fonction des massifs montagneux vers lesquels ils pointent. Dans le bâtiment "Belledone", nous avons notamment pu apercevoir un immense dispositif, écrasant, qui permet de déplacer l'échantillon autour d'un axe dans le plan du sol. Ce dispositif est extrêmement massif pour permettre de stabiliser l'échantillon et le détecteur car les analyses qui y sont réalisées sont très sensibles. Pour déplacer le dispositif (qui doit peser au moins ... plein d'éléphants), rien de plus simple : des airpads dans lesquels on injecte de l'air comprimé permettent de le soulever de quelques µm (si je ne me trompe pas) et de le faire glisser manuellement (en le poussant, simplement) le long d'un chemin en granite poli. C'est monstrueux.

Nous sommes aussi passés dans quelques beamlines je pense, mais ça ne m'a pas autant marqué. D'autant plus que le guide commençait parfois à expliquer des trucs alors qu'on était toujours au loin, donc j'ai dû rater de l'info. De toutes façons, les beamlines se ressemblent toutes globalement. Pour les différencier, impossible de faire un tour complet tant elles sont variées dans les détails.

Ponçage manuel
Enfin, nous avons également pu visiter le "crystal lab". Dans ce labo, on reçoit des monocristaux de silicium pur pour les découper en pièces utilisées dans l'instrumentation (des monochromateurs, etc). Ces monocristaux font facilement 2 m de long pour un tour de cuisse de large. Je ne sais pas exactement comment ils sont préparés. Une fois arrivés au labo, ils sont découpés avec différents outils et les techniciens mesurent pour chaque morceau la direction de la maille cristalline, qui n'est pas systématiquement orientée le long de la barre de silicium. Puis les éléments sont dégrossis "à la main" avec des ponceuses, pour obtenir la pièce souhaitée dans la direction cristalline voulue. Afin d'avoir une bonne qualité de faisceau, ces pièces doivent ensuite être polies avec une précision atomique (et oui, atomique, je suis toujours aussi ébahie) et cela se réalise avec une solution colloïdale de silice. Il s'agit d'une suspension de minuscules cristaux (de sable) qui permettent de décrocher toutes les aspérités de la pièce. Ce traitement dure environ une semaine.

Le silicium en lui-même est absolument fascinant, surtout lorsqu'il est poli. La couleur des pièces est incroyable, d'un gris-bleuté foncé absolument magnifique. Ca a un charme fou. Et quand la pièce est polie, elle est extrêmement réfléchissante et ça ajoute encore du cachet de voir son environnement se refléter dans ce bleu nuit métallisé envoutant. J'adoooooore cette couleur. J'essayerai de prendre des échantillons en photo correctement, car jusqu'à présent ça n'a pas donné grand chose.
Dernière chose : le silicium monocristallin est aussi très fragile, plus fragile que le verre. Ce qui fait qu'on a parfois des accidents en cours de route. Certains techniciens passent trois semaines à façonner une pièce et, lors d'un des traitements finaux, elle de brise ou se fendille. La pièce est perdue, il n'est pas possible de réutiliser le silicium lorsqu'on est arrivé à ce stade. Ca doit être désespérant.


[Illustrations extraites des différentes pages du site officiel de l'ESRF]

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