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VI - SYNCHROTRONS

Le cas du synchrotron a été traité en détail dans le premier tome du présent rapport 4.

Afin de replacer cet outil d'analyse fine de la matière dans le contexte général des très grands équipements, les principaux points de l'analyse développée par vos Rapporteurs dans le rapport de l'Office publié le 17 mars sont rappelés dans la suite.

Les synchrotrons produisent des ondes électromagnétiques de toutes longueurs d'onde, utilisées par un nombre considérable de méthodes d'analyse de la matière.

Ces machines sont constituées d'une part d'un anneau de stockage d'une circonférence de cent à plusieurs centaines de mètres, dans lequel les électrons tournent 350 000 fois par seconde à une vitesse proche de celle de la lumière, et, d'autre part, de lignes de lumière et de postes expérimentaux périphériques qui utilisent la lumière émise par les électrons lors de passage dans des aimants de courbure ou des " chicanes " magnétiques (" wigglers " et onduleurs) placées sur leur trajectoire, lumière dénommée rayonnement synchrotron.

Les synchrotrons, qui sont utilisés chacun par plusieurs milliers de chercheurs, constituent une avancée technologique majeure puisque le rayonnement des synchrotrons de 3ème génération est mille milliards de fois plus brillant que les rayons émis par des équipements de laboratoire comme les tubes à rayons X.

Alors que l'on se trouve déjà à la 3ème génération de machines, l'évolution technique des synchrotrons est loin d'être achevée, des progrès considérables étant attendus sur les onduleurs, l'optique des lignes de lumière, et l'instrumentation, et notamment les détecteurs. En outre, de nouvelles perspectives existent en termes de machines dérivées des actuels synchrotrons mais complémentaires, les lasers à électrons libres.

1. Les besoins en rayonnement synchrotron

Un synchrotron est un très grand instrument banalisé, partagé, accessible, formateur et pluridisciplinaire.

Un synchrotron, même de 3ème génération, apparaît aujourd'hui comme une machine banalisée, au service d'une vaste communauté de chercheurs appartenant à des laboratoires multiples, répartis sur tout le territoire et venant même de l'étranger pour près du quart du total en moyenne.

Les chercheurs visiteurs de toutes disciplines, qui se relaient sur les postes expérimentaux des synchrotrons, bénéficient d'une assistance rapprochée de la part des concepteurs et des chercheurs résidents. Par ailleurs, les synchrotrons jouent un rôle important dans la formation des jeunes chercheurs.

Un synchrotron, en définitive, fournit des services de haut niveau technologique à un ensemble de communautés scientifiques relevant de différentes disciplines.

La demande de temps d'accès aux lignes de lumière des synchrotrons est en forte croissance dans tous les pays du monde, en particulier en France.

Ainsi, en 1999, la demande exprimée en (heures x instruments) adressée au LURE a représenté 155 % du temps alloué, un pourcentage à peu près stabilisé cinq ans après la mise en service des équipements (voir figure suivante).

Figure 9 : Ecart entre la demande exprimée en (heures x instruments) et l'allocation effective au LURE 5

On constate également que la demande d'accès à l'ESRF ne peut pas être satisfaite. L'écart entre la demande de temps d'accès et les durées effectivement allouées s'est élevé à 205 % pour la part française de l'ESRF 6, cinq ans après la mise en service de l'appareil (voir figure suivante).

Figure 10 : Ecart entre la demande exprimée en heures x instruments et l'allocation effective à l'ESRF (part française)

La même insuffisance se constate pour l'ESRF considéré dans son ensemble (voir figure suivante). En 1999, la demande de (jours x instruments) a atteint 210 % de l'allocation effective.

Figure 11 : Ecart entre la demande exprimée en (jours x instruments) et l'allocation effective à l'ESRF considéré dans son ensemble

La décision de M. Roger-Gérard SCHWARTZENBERG, ministre de la recherche annoncée le 11 septembre 2000, d'autoriser la construction du synchrotron de 3ème génération SOLEIL sur le plateau de Saclay, a donc pour but premier de répondre aux besoins de chercheurs d'accéder à cet outil d'analyse essentiel que constitue le rayonnement synchrotron.

2. Les dépenses actuelles dans le domaine du rayonnement synchrotron

Les synchrotrons sont considérés par le ministère de la recherche comme faisant partie de la catégorie des très grands équipements et les dépenses correspondantes sont répertoriées comme telles.

L'ensemble des dépenses de personnel, d'exploitation et de construction-modernisation du LURE se sont élevées à 136 millions de francs en 1999, un niveau quasiment stable depuis 1995 (voir tableau ci-dessous).

Tableau 9 : Evolution des dépenses annuelles relatives au LURE 7

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

LURE

(TGE scientifique)

personnel

65

61

65

72

73

93

91

93

93

93

104

exploitation

44

44

45

44

45

47

46

44

43

43

42

construction

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

total

109

105

110

116

118

140

143

137

136

136

146

La contribution française à l'ESRF atteint un montant du même ordre de grandeur, soit 125 millions de francs en 1999. La part des dépenses de construction a décru depuis 1990 et s'est annulée en 1998. Les dépenses d'exploitation ont pris le relais, tandis que les dépenses de personnels ont atteint un maximum de 1994 à 1996 correspondant à la mise au point de l'appareil.

Tableau 10 : Evolution des dépenses annuelles relatives à l'ESRF 8

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

ESRF

(TGE scientifique)

personnel

22

32

40

48

52

52

56

30

26

28

28

exploitation

 

 

 

 

18

40

49

82

85

97

98

construction

120

134

126

108

74

38

24

25

12

 

 

total

142

166

166

156

144

130

129

137

123

125

126

S'agissant de SOLEIL, des frais ont été comptabilisés lors de la phase active d'étude, de 1997 à 1999, aucune dépense n'ayant été prévue en 2000.

Tableau 11 : Evolution des dépenses annuelles relatives à SOLEIL 9

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

Soleil

(TGE scientifique)

personnel

 

 

 

 

 

 

 

5

7

1

 

exploitation

 

 

 

 

 

 

 

6

7

 

 

construction

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

total

0

0

0

0

0

0

0

11

21

1

0

Si l'on examine l'évolution au cours du temps des dépenses relatives au rayonnement synchrotron, on constate une remarquable constance au cours du temps. Il faudrait se féliciter de cette stabilité si, pendant la même période, la demande d'accès aux faisceaux n'avait pas explosé.

Figure 12 : Evolution des dépenses annuelles relative au rayonnement synchrotron

Du fait de la croissance des dépenses des autres types de très grands équipements, la stabilité des dépenses relatives aux synchrotrons se traduit par une diminution de leur part relative, qui ne représentait plus que 5,7 % du total en 1999.

Figure 13 : Evolution des dépenses relatives aux TGE Synchrotrons par rapport aux dépenses totales des TGE scientifiques et techniques

3. Les besoins prévisibles

Le premier tome du présent rapport concluait à la nécessité de construire sans attendre un synchrotron national polyvalent, pluridisciplinaire et évolutif, indispensable pour la communauté scientifique française

La décision du ministre de la recherche, dans le cadre d'un partenariat de l'Etat avec la région Ile-de-France et le département de l'Essonne, va donc dans le bon sens.

Vos Rapporteurs se sont félicités que le rapport de l'Office ait joué un rôle important dans l'information du ministre au moment où il prenait ses fonctions.

Après que la décision a été prise conformément aux recommandations de l'Office de doter la recherche française de l'outil pluridisciplinaire dont elle a un urgent besoin, il convient que la construction de SOLEIL commence sans aucun retard.

Les besoins de la communauté scientifique sont à satisfaire le plus vite possible. Les difficultés d'accès au LURE et à l'ESRF occasionnent en effet des retards préjudiciables à la compétitivité de la recherche française, dans toutes les disciplines.

Les prévisions établies par M. Yves FARGE, d'un doublement en moyenne des capacités d'accueil de projets, montrent l'urgence du problème.

Tableau 12 : Estimation des capacités annuelles souhaitables en France à 20 ans 10

nombre de projets

capacité

annuelle

actuelle

estimation de la capacité souhaitable

à 20 ans (1999)

facteur

multiplicatif

Sciences de la vie

80

240

3

Sciences de l'univers

40

80

2

Recherche appliquée (dont micro-fabrication)

320

640

2

Chimie

160

240

1,5

Physique

200

240

1,2

Total

800

1440

1,8

A terme, il s'agit bien de doter la France de capacités nationales d'accueil sur synchrotron de 3ème génération qui représentent près des deux tiers des capacités actuelles sur des machines de 1ère et de 2ème génération.

Tableau 13 : Prévisions de capacités souhaitables en France à 20 ans selon la génération des synchrotrons considérés 11

nombre de projets

Capacité

annuelle

actuelle

Capacité annuelle

souhaitable

à 20 ans

facteur

multiplicatif

Expérimentations sur synchrotron de 1ère génération

480

320

0,7

Expérimentations sur synchrotron de 2ème génération

120

670

5,6

Expérimentations sur synchrotron de 3ème génération

0

770

-

L'urgence concerne toutes les disciplines mais est particulièrement forte dans le domaine des sciences du vivant.

Une course de vitesse est engagée pour l'élucidation des structures des protéines. Il s'agit là d'un enjeu capital des sciences du vivant. A cet égard, le rayonnement synchrotron constitue un outil irremplaçable, comme l'indique la figure ci-après.

Figure 14 : L'importance croissante du rayonnement synchrotron pour l'élucidation des structures macromoléculaires 12

La résolution des structures des protéines qui pouvait s'effectuer avec des instruments de laboratoires, bascule, dans tous les pays, vers les synchrotrons, ainsi qu'en témoigne le graphique suivant réalisé par le laboratoire de l'EMBL (European Molecular Biology Laboratory) implanté sur le site des synchrotrons du Hasylab de Hambourg.

Un succès récent et marquant obtenu à l'ESRF est l'élucidation de la structure du prion de levure 13.

Figure 15 : Comparaison du total mondial de publications de biologie structurale résultant de travaux conduits sur des synchrotrons ou sur des sources propriétaires 14

Il convient en conséquence de mettre en place, sans tarder davantage, la structure chargée d'engager concrètement la réalisation de SOLEIL et de lui donner les moyens de conduire sa mission à marche forcée.

Par ailleurs, il faut également signaler que la recherche sur la génération suivante de synchrotrons commence avec la réflexion et les premiers travaux exploratoires sur les lasers à électrons libres commandés par des accélérateurs linéaires.

Ces machines, dont la faisabilité semble acquise, devraient d'une part permettre d'obtenir un nouveau saut qualitatif pour la brillance et la cohérence des faisceaux de rayons X, et d'autre part, grâce à la réduction de la durée des impulsions à quelques femtosecondes, ouvrir la voie à des applications nouvelles des rayons X, comme la femtochimie.

Un mémoire en faveur d'une initiative européenne dans ce domaine 15 a récemment été discuté à la table ronde européenne sur le rayonnement synchrotron et adopté par le groupe européen de réflexion sur les méthodes d'analyse fine de la matière.

Si les perspectives de réalisation d'une machine dédiée semblent encore relativement lointaines, il convient toutefois de garder à l'esprit qu'il existe des perspectives de développement pour le rayonnement synchrotron.

1 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000

2 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000

3 Source : dépêche AFP 28 septembre 2000, réf : FRS1204 3 GIA 0622 FRA / AFP-TK95.

4 Christian CUVILLIEZ et René TRÉGOUËT, Les conditions d'implantation d'un nouveau synchrotron, Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Assemblée nationale n° 2248, Sénat n° 273, Paris, 17 mars 2000.

5 Source : CNRS - audition de Mme BRECHIGNAC, directeur général, 2 février 2000.

6 Part française augmentée des accès aux lignes dites CRG réservées aux Collaborative Research Group.

7 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000

8 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000

9 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000

10 Source : Y. FARGE, CNRS, 1999.

11 Source : Y. FARGE, CNRS, 1999.

12 Source : Review of the needs for European synchrotron and related beam-lines of biological and biomedical research, Fondation européenne de la science (ESF), novembre 1998.

13 AFP, 4 décembre 2000.

14 Source : HASYLAB - DESY Hambourg, février 2000.

15 Jochen R. SCHNEIDER, European Initiative for the Construction and Usage of Linac Driven Free Electron Laser (FEL), DESY, Hambourg, novembre 2000.