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rayonnement synchrotron

30 ans de collaboration à l’ESRF


​Ce 27 novembre 2018, l'ESRF, le synchrotron européen de Grenoble, célèbre ses 30 ans, en présence des représentants des 22 pays partenaires. Les équipes du CEA contribuent fortement au développement technologique du synchrotron ainsi qu’à la vitalité de ses programmes de recherche scientifique.

Publié le 27 novembre 2018

​L’ESRF est la source européenne de rayonnement synchrotron produisant des rayons X à haute énergie (1) qui sont distribués sur 44 lignes de lumière (2), mises à la disposition de la communauté scientifique. L’ESRF est une très grande infrastructure de recherche (TGIR) à vocation internationale utilisée par des équipes de chercheurs du meilleur niveau (3).

La France est le plus important contributeur avec 27,5 % des parts. Les parts françaises sont partagées à égalité entre le CEA et le CNRS. En 2018, le CEA, contribue au budget d’ESRF à hauteur de 13 M€.
La France dispose de plusieurs lignes de lumière dites CRG (Collaborative Research Group), dans le cadre de contrats spéciaux de cinq ans (signés notamment avec le CEA ou le CNRS). Ainsi, la France investit sur ces lignes et assure l’accueil de leurs utilisateurs. En contrepartie, cela lui permet de bénéficier de 70 % de temps dédié (les 30 % sont réservés à l’ESRF).

Vers une source de lumière synchrotron d’une luminosité inégalée

En ce mois de décembre 2018, l’ESRF célèbre deux jalons majeurs : d’une part les 30 ans de l’accord intergouvernemental fondateur de l’infrastructure, d’autre part le lancement d’une phase de modernisation de l’installation. Au cours de celle-ci, l’ESRF sera transformé en synchrotron de nouvelle génération. Il verra, en outre, la construction de quatre nouvelles lignes de lumières et bénéficiera d’un programme d’instrumentation ambitieux ainsi que d’une nouvelle stratégie pour le traitement et l’accès aux données expérimentales.

L'exploitation de l’ESRF sera interrompue pendant 20 mois : les composants de l’anneau de stockage d’électrons de 844 m de circonférence vont être remplacés pour constituer, en 2020, une nouvelle source de lumière dite EBS (Extremely Brilliant Source), un synchrotron de « quatrième génération » à haute-énergie. Les performances des faisceaux de lumière synchrotron délivrés à l’ESRF seront ainsi multipliées par 100 pour permettre aux chercheurs d’examiner des matériaux complexes au niveau atomique, avec plus de précision, et avec une meilleure qualité et une plus grande rapidité d’analyse qu’aujourd’hui. Ces faisceaux donneront aux scientifiques accès à de nouveaux domaines de recherche et au développement de nouvelles applications.

Qu’est-ce que l’ESRF ?

En 1988, 11 pays européens unissent leurs forces pour créer la première source de lumière synchrotron de troisième génération. La Convention internationale relative à la construction et l’exploitation d’une installation européenne de rayonnement synchrotron a été conclue à Paris le 16 décembre 1988. Aujourd'hui, l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) compte 22 pays partenaires, d'Europe et d'ailleurs.
Société civile de droit français, l’ESRF est implanté sur le territoire français à Grenoble, à proximité de grands laboratoires du CEA et du CNRS, ainsi que d’autres infrastructures internationales (European Molecular Biology Laboratory et Institut Laue-Langevin). La France compte un second synchrotron sur son territoire, une infrastructure nationale cette fois. Baptisé Soleil, il est localisé sur le campus de l’Université Paris-Saclay.


30 years, what a tremendous work has been achieved here. And what a beautiful perspective you offer us for the future. In the coming weeks the long shutdown will be launched for the implementation of the EBS that will propel ESRF in the new generation of synchrotrons with outstanding performances. I feel so enthusiastic and festive about it that I will dare the following acrostic as my allocution.
E: as European, Excellency, Extraordinary
S: as Synchrotron, Science, Sensational
R: as Radiation, Research, Remarkable
F: as Facility, France (could not resist that one), Fantastic, Fabulous
ESRF, I wish you a very happy birthday. May the 30 coming years be as successful and exciting than the first 30 years.
Laurence Piketty, Administratrice générale adjointe du CEA

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Vue générale de l’ESRF, qui comporte un anneau de stockage de 844 mètres de circonférence dans lequel des électrons circulent à une vitesse très proche de celle de la lumière. © ESRF


La contribution scientifique des chercheurs du CEA

Qu'est ce qu'un synchrotron ?


Le synchrotron accélère les électrons, et en courbant leur trajectoire, les conduit à émettre de la lumière. Grâce à ces rayonnements de haute intensité, les scientifiques peuvent déterminer comment sont disposés les atomes dans la matière. En savoir plus

Le CEA, outre son pilotage de l'ESRF en tant qu'actionnaire français, a contribué au succès scientifique et technique de l'ESRF :
  • Les lignes CRG françaises qu'il exploite avec le CNRS depuis le tout début de l'ESRF. Ces lignes ont été parmi les premières lignes opérationnelles à l'ESRF. Elles constituent toujours une part essentielle de l'offre de l’ESRF à la communauté.
  • Le CEA a développé sur les lignes CRG ainsi que sur certaines lignes Internationales, des techniques et des moyens d'études uniques pour ses propres programmes de recherche et ceux de la communauté scientifique. Par exemple : des installations d'étude de surface en environnement ultravide (études des mécanismes de croissance de matériaux en temps réel) ; des techniques dites de « micro-Laue » (cartographie des déformations dans les matériaux) ; des techniques de réflexion, de diffraction et de spectroscopies des rayons X (pour étudier les matériaux et procédés technologiques, notamment nucléaires) ; des techniques d'analyses à température ambiante, dites « in situ », de la structure de macromolécules biologiques.
  • Les chercheurs du CEA ont formé de nombreux doctorants et post-doctorants ainsi que d’autres personnels dans le domaine de l'utilisation du rayonnement synchrotron.
  • Nombre de chercheurs CEA sont des utilisateurs experts du rayonnement synchrotron et de l'ESRF, notamment dans les domaines traditionnels de l'organisme comme par exemple les matériaux du nucléaire (combustible, structures...), les matériaux pour l'énergie (batteries, piles à combustible) ou les micro-technologies (semi-conducteurs, dispositifs micro-électroniques). Ils développent des méthodes expérimentales et théoriques ainsi que des logiciels d’acquisition et d’analyse des données.

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Chaque ligne de lumière de l’ESRF comporte une série d’équipements expérimentaux individuels de pointe qui utilisent les rayons X délivrés par l’ESRF pour explorer la matière : structures de nanomatériaux, de cristaux, de macromolécules biologiques, de matériaux amorphes ou polymères, composition élémentaire d’échantillons naturels (tissues biologiques et os, terres, céramiques, etc.) ou artificiels (polymères, multicouches, composants électroniques). Les techniques mises en œuvre sont basées sur les diffusion/diffraction du rayonnement synchrotron, les spectroscopies (EXAFS, XANES, Raman, …) et l’imagerie (tomographie..).Différents types de source sont disposées le long de l’anneau (onduleurs, wigglers, aimant de courbures) en fonction des caractéristiques de faisceau souhaitées dans les lignes. © ESRF


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Les composants de l’anneau de stockage d’électrons de 844 m de circonférence vont être remplacés pour constituer, en 2020, une nouvelle source de lumière EBS (Extremely Brilliant Source), un synchrotron de quatrième génération à haute énergie. © ESRF




(1)   Ces rayons X sont dits « très durs », Leur l’énergie est typiquement comprise entre 5 et 300 keV.
(2)   Chaque ligne de lumière comporte une série d’équipements expérimentaux individuels de pointe qui utilisent les rayons X délivrés par l’ESRF pour explorer la matière : structures de nanomatériaux, de cristaux, de macromolécules biologiques, de matériaux amorphes ou polymères, composition élémentaire d’échantillons naturels (tissus biologiques et os, terres, céramiques, etc.) ou artificiels (polymères, multicouches, composants électroniques). Les techniques mises en œuvre sont basées sur les diffusion/diffraction du rayonnement synchrotron, les spectroscopies (EXAFS, XANES, Raman, …) et l’imagerie (tomographie). Différents types de source sont disposés le long de l’anneau (onduleurs, wigglers, aimants de courbures) en fonction des caractéristiques de faisceau souhaitées dans les lignes.
(3)   7 000 visites scientifiques par an, 2 000 publications par an, 5 prix Nobel décernés à des scientifiques utilisateurs de l’ESRF


Florilège des plus récents résultats associant des chercheurs CEA à l'ESRF

22 novembre 2018

Accord parfait entre MoSe2 et des feuillets de graphène !

Le simple fait d'empiler différents matériaux bidimensionnels peut modifier les propriétés électroniques de couches individuelles. Des chercheurs de l'Institut nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA, Grenoble) montrent qu'il est ainsi possible d'ouvrir une bande interdite dans la structure de bandes électroniques du graphène.

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23 juillet 2018

Des nanofeuillets qui s'organisent en lamelles

Une équipe française impliquant l'Institut nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA, Grenoble) et l'ICSM (Institut de chimie séparative de Marcoule (CEA, Marcoule) a mis en évidence, pour la première fois, la coexistence de trois phases dans une suspension colloïdale de nanofeuillets inorganiques, dont une remarquable phase lamellaire. Ce système apparaît comme un très bon modèle pour faire progresser les théories et les simulations de suspensions colloïdales d'objets anisotropes.

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4 avril 2018

Baccara perce le secret du vieillissement des batteries lithium-ion à électrodes silicium

La technologie très prometteuse des électrodes à base de silicium a été évaluée en profondeur à l'aune du vieillissement de la batterie Li-ion au cours des charges et décharges. Ce travail de recherche fondamentale a été coordonné par l'Institut nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA, Grenoble) dans un partenariat équilibré, composé de trois académiques et autant d'industriels.

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 1er septembre 2017

Microalgues : l'enzyme faiseuse d'hydrocarbures

Des chercheurs de l'Institut de biosciences et biotechnologies d'Aix-Marseille (Biam, CEA/CNRS/AMU, Cadarache), en collaboration notamment avec l'Institut Frédéric-Joliot (CEA Paris-Saclay), ont découvert une enzyme qui permet aux microalgues de transformer certains de leurs acides gras en hydrocarbures à l'aide de l'énergie lumineuse.

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8 décembre 2016

Une protéine rouge qui en jette

mScarlet, c'est le nom donné à une protéine rouge de brillance inégalée créée par l'Université d'Amsterdam. Une équipe de l'Institut de biologie structurale (IBS, CEA/CNRS/UGA, Grenoble) a observé sa structure moléculaire et compris l'origine de son éclat. Un enjeu majeur pour l'imagerie cellulaire. En savoir plus.


Novembre 2018

[Fe]-hydrogénase : un modèle pour de nouveaux catalyseurs d'hydrogénation

La quantité d'énergie disponible requise par une population croissante exige le développement de catalyseurs efficaces et robustes activant l'hydrogène, avec des matériaux abondants et bon marché. Dans ce contexte, les hydrogénases présentent donc un intérêt considérable. Ainsi la [Fe]-hydrogénase catalyse un transfert réversible d'hydrure. Son site actif est un excellent modèle pour la conception de nouveaux catalyseurs d'hydrogénation. Une équipe du Max Planck Institute (Marburg) a mené l'analyse structurale d'une telle enzyme sur la ligne ESRF/FIP-BM30A (French Beamline for investigation of proteins), et révélé comment un mécanisme d'oligomérisation permet de protéger le site actif contre la lumière et le stress oxydatif. Cette avancée dans la compréhension du processus catalytique est une condition préalable à l'exploitation de la [Fe]-hydrogénase à des fins technologiques. 

Wagner, T., Huang, G., Ermler, U., Shima, S. Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2018. doi: 10.1002/anie.201807203


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