La rayonnement synchrotron : la source spectroscopique la plus polyvalente

Lorsque je terminais mes études de premier et de deuxième cycles en chimie à l’Université du Manitoba, j’étais fasciné par des expériences qui utilisaient des mesures spectroscopiques pour caractériser ou déterminer la structure atomique et électronique des composés chimiques. J'étais particulièrement intéressé par la théorie de la spectroscopie bien que je n'avais que peu de connaissances théoriques sur le sujet.

En 1963, lorsque je cherchais un thème et une institution pour préparer mon doctorat, je suis tombé sur le premier livre écrit sur une nouvelle forme de spectroscopie appelée « la spectroscopie Mössbauer » du nom de Rudolph Mössbauer, physicien allemand qui l’a découverte par hasard en 1957 et qui a ensuite obtenu le Prix Nobel de physique. J'étais séduit.

Depuis ce moment-là, je me suis intéressé surtout à cette nouvelle spectroscopie qui utilisait des rayons gamma émis par des sources radioactives telles que le ⁵⁷Co (le cobalt) ou le ¹¹⁹Sn (l’étain). Une bourse de la société Shell m’a permis d’étudier à l’Université de Cambridge. Là-bas, j’ai pris contact avec un vieil ami, Ian Smith (qui avait commencé son doctorat à Cambridge en 1962) pour lui demander s'il était possible d'entreprendre un projet de recherche à Cambridge. Il a découvert qu’un radiochimiste du département de chimie, le Dr A.G. Maddock, offrait un poste. Comme par hasard, il projetait de construire un spectromètre Mössbauer. Il me semblait que j’étais tombé au bon endroit au bon moment.

C’est en octobre 1964 que le Dr Maddock m’a accueilli dans son groupe de recherche. Au cours de ma première semaine à Cambridge, il a griffonné au verso d’une enveloppe ce qu’il considérait être les éléments importants de son nouveau spectromètre Mössbauer. J’avais reçu ma première mission. Heureusement pour moi, et avec beaucoup d’aide de l’atelier électronique du département de chimie, j’ai réussi à faire fonctionner un spectromètre automatique au bout de six mois. Étant donné qu’il s’agissait d’une nouvelle technique, plusieurs chimistes et minéralogistes se sont très vite intéressés à caractériser des produits chimiques et des minéraux ferrifères au moyen de cette spectroscopie. C’était le début d'une série de collaborations très fructueuses.

C'est exactement ce type de recherche collégiale qui a initié une stratégie précieuse que j'applique encore aujourd’hui : c’est-à-dire, une recherche collaborative reliant plusieurs domaines scientifiques différents, utilisant à la fois des composants très élémentaires (y compris la simple théorie) et des composants appliqués. Par exemple, dans le cas de toute nouvelle spectroscopie, il est possible de développer la méthode spectroscopique — par la découverte de nouveaux phénomènes et l’élaboration de simples théories pour expliquer et prévoir à la fois les nouvelles caractéristiques (les pics) et les caractéristiques déjà connues. Une bonne compréhension de la spectroscopie permet ensuite de mieux comprendre des domaines de recherche fondamentale et appliquée. J’ai toujours été convaincu qu’il était possible de faire de la recherche exceptionnelle à la fois fondamentale et appliquée et que l’une fait progresser l’autre.

Après mon séjour à Cambridge, je suis retourné au Canada en 1970 pour travailler à l’Université de Western Ontario (UWO) où j’ai mis sur pied un programme actif de spectroscopie appliquée à la chimie et à la minéralogie. Mais de nouveaux défis m'attendaient. Je voulais entreprendre des recherches sur une autre nouvelle forme de spectroscopie, la spectroscopie photoélectronique, technique développée au cours des années 1960 en grande partie par des groupes de l’Université Uppsala en Suède et de l’Université Oxford en Angleterre.

Grâce à l’appui du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et du département de chimie de l’UWO (en collaboration avec des groupes de recherche des Universités de Toronto et de Windsor qui faisaient partie d’un consortium basé dans le Sud de l’Ontario), j’ai pu acheter, en 1972, un spectromètre photoélectronique qui permettait de faire des recherches en employant des photons ultraviolets lointains et des photons de rayons X. Cet instrument tout nouveau a rendu possible un vaste programme de recherche, soutenu par plusieurs acieries, qui comprenait l’observation et la caractérisation d’un nouvel effet spectral (la coupure du champ ligand), l’établissement de l’ordre des orbitales moléculaires dans les molécules organiques et organométalliques, l’absorption de métaux par des minéraux et l’application industrielle de la technologie des surfaces.

Vers un synchrotron canadien
Entre 1973 et 1974, Bill McGowan, directeur du Centre for Chemical Physics à l’Université de Western Ontario, a été le premier à proposer l’établissement d’une installation de rayonnement synchrotron au Canada. Le rayonnement ou la lumière synchrotron est produit lorsque des électrons de grande énergie sont diffractés dans un champs magnétique. Il s'agit d'une source de rayonnement intense et focalisée occupant plus de la moitié du spectrum électromagnétique à partir de l’infrarouge lointain à travers l’infrarouge, jusqu'au rayonnement ultraviolet et visible (UV), puis la région des rayons X à faible énergie et des rayons X durs.

Quelle était la fascination du rayonnement synchrotron? Il était évident que je pouvais réaliser de meilleures expériences en spectroscopie photoélectronique grâce à celui-ci qu’avec d’autres sources de rayonnement en laboratoire. J’ai pu mener des expériences préliminaires en 1975 au petit Tantalus Laboratory à l’Université du Wisconsin près de Madison (Wisconsin), suivi par un congé sabbatique de six mois passé là-bas. Même s’il s’agissait d’un petit synchrotron à faible énergie, j'ai compris les possibilités qu'offrait le rayonnement synchrotron pour la recherche dans beaucoup de domaines.

En 1979, grâce à l’appui financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) et du CNRC ainsi qu'au soutien important de l’Université de Western Ontario, j’ai réussi à établir une source de faisceaux de rayons X à faible énergie au synchrotron Tantalus (et plus tard au synchrotron Aladdin) à l’Université du Wisconsin. La fondation du Centre de rayonnement synchrotron du Canada (CRSC) était ainsi créée. Grâce au financement supplémentaire de Materials and Manufacturing Ontario et du CRSNG, le CRSC dispose à l’heure actuelle de trois sources de faisceaux de rayons X à faible énergie (qui s’étendent de 20 eV jusqu’à 4 000 eV). Au cours de la dernière décennie, le Centre a publié environ 40 publications critiquées par an soumises par un groupe d’utilisateurs divers, mais surtout représentant les domaines de la chimie, de la géologie et de la physique.

J’ai passé les 22 dernières années à utiliser le rayonnement synchrotron des régions du rayonnement ultraviolet lointain ainsi que des rayons X à faible énergie dans beaucoup de domaines différents de recherche fondamentale et appliquée. Beaucoup d’étudiants des deuxième et troisième cycles, ainsi que de boursiers post-doctoraux et de chercheurs scientifiques ont parcouru régulièrement les 10 heures de route entre London (Ontario) et Madison pour faire des recherches au CRSC, travaillant souvent des journées de 20 heures sur une période de deux ou trois semaines. En employant des techniques telles que la spectroscopie photoélectronique, la spectroscopie Auger ainsi que la spectroscopie d’absorption atomique, ils ont réussi des expériences dans des domaines aussi divers que la chimie, la physique, la géologie et la tribologie.

Plus de 150 mémoires de recherche et plusieurs critiques importantes au sujet de cette recherche ont été publiés dans des journaux internationaux au cours des 20 dernières années sur la chimie, la physique, la géologie et le génie. J’aimerais remercier tout particulièrement la direction du Synchrotron Radiation Center (SRC) à Madison (Wisconsin) de nous avoir permis de construire des sources de faisceaux au SRC (souvent avec l’aide précieuse de ses employés) et d’utiliser les faisceaux synchrotron à titre gratuit pendant plus de 20 ans. Ceci représente un geste incroyable de collégialité internationale. Il faut reconnaître également le travail impressionant fait au cours des années par les employés de l’Université de Western Ontario basés en permanence au Centre de rayonnement synchrotron du Canada (Kim Tan, Brian Yates, B.X. Yang, X.H. Feng, Emil Hallin, Greg Retzlaff et Y.F. Hu). Ils ont été au cœur du succès du CRSC.

Suite à l’établissement de l’Institut canadien du rayonnement synchrotron (ICRS) en 1990, toute la communauté scientifique s’est réunie pour demander le financement d’une installation de rayonnement synchrotron nationale. Grâce aux efforts énormes de plusieurs individus, (surtout Dennis Skopik, George Ivany, Dennis Johnson et leur équipe de l’Université de la Saskatchewan), il a été annoncé le 31 mars 1999 que la Fondation canadienne pour l’innovation financerait 56,4 millions de dollars ou 40 % du coût total du projet de la Canadian Light Source (CLS) à l’Université de la Saskatchewan. À l’époque, le communiqué de presse a signalé que « la CLS représente un niveau de collaboration sans précédent entre les gouvernements, les universités et l’industrie au Canada ». En plus de l’Université de la Saskatchewan, dix-huit autres universités canadiennes représentant 300 utilisateurs (à l’époque) de rayonnement synchrotron au Canada ont soutenu le projet CLS. Après avoir fait la promotion du rayonnement synchrotron et d’un synchrotron canadien pendant 25 ans, j’étais ravi de savoir que la construction d’une installation allait enfin se réaliser.

La Canadian Light Source — la source spectroscopique la plus polyvalente
La Canadian Light Source représente le plus grand projet scientifique au Canada — du point de vue du coût et de l’envergure — depuis au moins 30 ans. CLS Inc. (CLSI), dont l’Université de la Saskatchewan est le seul propriétaire, a été incorporée comme société sans but lucratif pour réaliser des mandats nationaux dans les domaines de la recherche et du développement synchrotron.

En partie à cause de la planification stratégique de l’Université de la Saskatchewan ainsi que l’effort énorme du personnel dévoué de la CLS et de beaucoup d’utilisateurs académiques, le progrès réalisé au cours des trois dernières années a été vraiment remarquable. Le 26 février 2001, le nouvel établissement immense (d'une superficie de 84 x 83 mètres et d'une hauteur de 20 mètres au milieu) a ouvert ses portes, à la date prévue et dans les limites du budget. Visiter le site Web et la galérie des photos de la CLS.

À la CLS, l’anneau de stockage et au moins six sources de faisceaux seront opérationnelles vers 2004. Plusieurs projets sont déjà planifiés et chacune des sources de faisceaux sera dotée d’un but important et unique.

En plus des projets de recherche actuels et en cours de développement à la CLS, certains groupes se sont établis pour mettre en œuvre une recherche médicale unique qui pourrait, un jour, avoir un impact important sur notre capacité de diagnostiquer et de traiter des maladies. Par exemple, une source de faisceaux d’imagerie et de recherche médicale ainsi qu’une source de faisceaux de systèmes mécaniques microélectriques (ou MEMS en anglais) combiné avec une source de faisceaux lithographique sont à l’étude. Au cours des ateliers tenus à Saskatoon, le Pr J. Chikawa de Spring-8 au Japon et le Pr W. Thomlinson de l’IERS à Grenoble en France ont présenté des améliorations remarquables dans les techniques d’imagerie utilisées dans les domaines de l’angiographie, de la mammographie et de la bronchiographie. Les deux dernières techniques se montrent prometteuses pour la détection précoce du cancer du sein et du poumon.

À l'horizon 2015, nous projetons que l’installation CLS bien rodée sera équipée de 25 à 30 sources de faisceaux. Un jour une centaine de scientifiques, de presque toutes les disciplines et venus du monde entier, travailleront en collaboration sur le site de la CLS; on s’attend à ce que l’installation accueille environ 2 000 utilisateurs par an. Lorsque j’observe tous ces développements, je ressens une satisfaction énorme sachant que non seulement la recherche interdisciplinaire effectuée à la CLS mènera à des recherches fondamentales et industrielles importantes avec des applications industrielles significatives, mais aussi qu’elle témoignera de l'importance du travail coopératif et d’équipe qui permet d’atteindre des buts extraordinaires. C'est cela la leçon que j’ai apprise à l’Université de Cambridge il y a 40 ans.