Rayons gamma

Les rayons gamma sont des rayonnements de photons de très haute énergie (au-delà de 100 keV) suffisante pour arracher un électron de son orbite. Les rayons gamma sont la forme la plus énergétique de la lumière. Ils possèdent une longueur d'onde très courte, inférieure à 5 picomètres, et peuvent être produits par la désintégration nucléaires, surtout aux seins des étoiles massives en fin de vie. Ils ont été découverts par le chimiste français, Paul Villard (1860-1934).
Alors que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d'un électron avec un atome, à haute vitesse, les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires.

Les rayons gamma produisent des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X ou les ultraviolets (brulures, cancers et mutations génétiques).
Les sources gamma que l'on observe dans l'univers viennent des étoiles massives (hypernova) qui finissent leur existence par un effondrement gravitationnel conduisant à la formation d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir.

( source : astronoo )

Rayons X

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence comprises entre les ondes ultraviolettes et les ondes gamma.
Découvertes en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, ces ondes électromagnétiques ont la propriété de traverser notre corps sans trop de difficulté.
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale et la cristallographie. La radiographie médicale est basée sur le fait que les os sont une peu plus opaques aux rayons X que la chair. C'est aussi une gamme de rayonnement très utilisée en astrophysique.

Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature (constitués de photons), mais sont produits différemment.
Les rayons X sont produits par des transitions électroniques (changements d'orbite d'électrons) alors que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes.
Les rayons X pénètrent facilement la matière molle, la matière solide peu dense constituée d'éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote. Ils sont facilement absorbés par la matière dure constituée d'éléments lourds et par l'air de l'atmosphère.

( source : astronoo )

Ultraviolet

Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X. La gamme des rayons UV est souvent subdivisée en UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-10 nm).
Les UV-A émis par le Soleil, représentent près de 95 % du rayonnement UV qui atteint la surface de la Terre.
Les UV-B, responsables du bronzage, ont une activité biologique importante, mais ne pénètrent pas au-delà des couches superficielles de la peau. Une partie des UV-B solaires sont filtrés par l’atmosphère.
Les UV-C, sont les UV les plus nocifs, mais sont complètement filtrés par la couche d'ozone de l’atmosphère et n’atteignent donc pas la surface de la Terre. Des lampes UV-C sont utilisées en laboratoire de biologie pour stériliser des pièces ou des appareils. 

 

( source : astronoo )

Lumière visible

La lumière visible n'est qu'une petite plage de vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique.
La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, elles sont comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron. 380 nanomètres pour le violet à 780 nanomètres pour le rouge. La lumière est intimement liée à la notion de couleur. Newton a proposé pour la première fois au XVIIe siècle un cercle des couleurs chromatiques fondé sur la décomposition de la lumière blanche.
La lumière du soleil est la première source d'énergie émise par le Soleil. Elle alimente les écosystèmes terrestres, via la photosynthèse.
L'arc-en-ciel est un phénomène lumineux naturel qui nous transmet le spectre de la lumière, par réflexion dans des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, comme des nuages par exemple.
Sur l'image ci-contre, l'arc-en-ciel nous apparait comme une composition de couleurs, dont le rouge est à l'extérieur de l'arc et le violet à l'intérieur, entre ces deux couleurs se trouvent, le rouge, l'orange, le jaune, le vert et le bleu.
L'ensemble des gouttes éclairées par le soleil apparaissent colorées, à un observateur qui se situe dans un angle « soleil-goutte-œil » d'environ 42°. Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus l'arc monte dans le ciel et inversement. Lorsque le soleil passe au dessus des 41° par rapport à l'horizon, l'arc-en-ciel n'est plus visible, ce qui explique pourquoi les arcs-en-ciel ne sont visibles que le matin ou le soir, par un observateur qui se situe au niveau de la mer. Quelques fois, lorsque l'arc-en-ciel est très lumineux, on observe un arc secondaire beaucoup plus pâle. 

( source : astronoo )

Ondes infrarouges

Les ondes infrarouges « en deçà du rouge » sont des ondes électromagnétiques de longueurs d'ondes intermédiaires, entre les micro-ondes et les ondes visibles inférieures à celles de la lumière rouge.
La longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre 780 nm et 1 000 000 nm, c'est à dire 1 millimètre. Les infrarouges sont utilisés pour le chauffage de matière dans les secteurs de l'automobile, de l'agroalimentaire, des textiles, des soins du corps.
Les diodes électroluminescentes utilisées dans les télécommandes de téléviseurs ou autres appareils, émettent aussi un rayonnement infrarouge.
En astronomie on utilise le rayonnement infrarouge dans des satellites d'observation (IRAS, ISO, Wire, Spitzer, ASTRO-F, Herschel) pour voir à travers les nuages sombres de poussières qui n'émettent pas de lumière visible.
Lorsqu'on regarde un bâtiment éclairé par le Soleil, on le voit grâce à la lumière réfléchie sur ses murs mais par nuit noire, on ne voit rien. Pourtant tous corps chaud émet de la lumière mais elle est non visible avec nos yeux. C'est pour cela que les audits concernant les économies d'énergie cherchent les pertes de chaleurs des bâtiments grâce à des caméras infrarouge (image ci-contre).

Les militaires utilisent aussi l'infrarouge à travers des lunettes qui permettent de voir les corps chauds (les ennemies) en pleine nuit.

( source : astronoo )

Micro-ondes

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes radio.
Les micro-ondes sont utilisées dans de nombreuses applications, radio, radar, télévision, internet...
Les plus connues sont les micro-ondes générées dans nos fours, elles sont parmi les ondes lumineuses qui ont le moins d'énergie, moins d'énergie que les ondes infrarouges ou visibles qui se dégagent d'un four classique. Leur extraordinaire efficacité est due à un effet à la fois subtil et violent qu'on nomme la résonnance. Ce que nous mangeons contient une très grande proportion d'eau et les molécules d'eau possèdent une fréquence propre qui correspond à celle des micro-ondes. Secouées par les micro-ondes, les molécules d'eau entrent en résonnance et cette agitation moléculaire augmente la température de l'eau contenue dans les aliments.
Les micro-ondes ont pour avantage de ne chauffer que le matériau, alors que le four reste à température ambiante. L'énergie pénétrant presque instantanément dans la cible, les temps de chauffage et les cycles industriels sont considérablement raccourcis.

( source : astronoo )

Ondes radio

Une onde radioélectrique est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 300 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 m. Un photon de télévision hertzienne a une fréquence de 10 Mhz et sa longueur d'onde est immense environ 30 mètres, son énergie est très faible de l'ordre de 40 neV.
Le son est une vibration de la matière, or les ondes radios sont des ondes électromagnétiques, de la même nature que la lumière, c'est à dire des perturbations des champs électrique et magnétique. Contrairement aux ondes sonores, qui ont besoin d'un support matériel pour se propager, les ondes électromagnétiques, elles, voyagent mieux dans le vide. Le son ne va qu'à 300 m/s, tandis que les ondes électromagnétiques filent à la vitesse de la lumière soit 299 792 458 m/s.
Une antenne radio émettrice produit de la lumière tout comme un néon, mais il s'agit d'ondes de type radio, que nos yeux ou nos oreilles ne peuvent percevoir.

Comme toutes les ondes électromagnétiques, les ondes radio se propagent dans l'espace vide à la vitesse de la lumière et avec une atténuation proportionnelle au carré de la distance parcourue selon l'équation des télécommunications. 

Dans l'atmosphère, elles subissent en outre des atténuations liées aux précipitations, et peuvent être réfléchies ou guidées par la partie de la haute atmosphère appelée ionosphère.
Les ondes électromagnétiques sont atténuées ou déviées par les obstacles, selon leur longueur d'onde, la nature du matériau, sa forme et sa dimension. Pour simplifier, un matériau conducteur aura un effet de réflexion, alors qu'un matériau diélectrique produira une déviation, et l'effet est lié au rapport entre la dimension de l'objet et la longueur d'onde.

( source : astronoo )

Spectre électromagnétique

La lumière visible n'est qu'une petite gamme des vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique.
L'atmosphère terrestre ne laisse passer qu'une partie de ce rayonnement. Ce filtre joue un rôle très important dans l'évolution de la vie organique sur la Terre. Les ondes courtes sont absorbées dans les couches atmosphériques et les ondes longues se réfléchissent, ce qui permet aux grandes ondes des émetteurs terrestres d'être captées à longue distance. L'existence de la fenêtre radio a permis le développement de la radioastronomie.
La nature de la lumière relève de la mécanique quantique pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule. La lumière possède une longueur d'onde, qui en détermine la couleur, par exemple le  Rouge émet dans la longueur d'onde de 700 nanomètres, le Orange 650 nm, le Jaune 600 nm, le Vert 550 nm, le Bleu 500 nm et le Violet 450 nm. C'est cette fenêtre qu'a choisi l'œil humain pour se spécialiser. Mais la lumière invisible, s'étale sur un plus grand champ électromagnétique.

Maxwell a déterminé que la lumière est une onde électromagnétique et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible, tout le spectre est lumière. Depuis, on a pu observer que les longueurs d'ondes électromagnétiques varient entre 10-16 mètre et plusieurs milliers de kilomètres. Les différentes fenêtres du spectre électromagnétique se caractérisent par une longueur d'ondes, mais aussi par une plage de fréquences définies. La fréquence est le nombre d'oscillations électromagnétiques qui passent par un point donné en une seconde. Elle s'exprime avec l'unité de fréquence qui est le hertz. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée, jusqu'aux très hautes fréquences.
La fréquence (ν) est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde (λ).

nota : Entre la longueur d'onde (λ) et la fréquence (ν) existe la relation suivante : ν = c / λ
ν = fréquence d'onde en hertz
c = vitesse de la lumière dans le vide en m/s
λ = longueur d'onde en mètre

( source : astronoo )

Gaia (satellite)

Gaia est une mission spatiale astrométrique, consacrée à la mesure de la position, de la distance et du mouvement des étoiles, développée par l'Agence spatiale européenne (ESA).

Gaia est un satellite d'environ 2 tonnes qui utilise, pour effectuer ses mesures, deux télescopes formant des images se superposant sur un plan focal commun, constitué par 106 capteurs CCD de 4 500×1 966 pixels.

Le 8 juin 2003, sur la base de cette nouvelle conception, la date de lancement est fixée à 2011 par le comité du programme scientifique de l'ESA. Le 5 mars 2004, l'engin spatial entre en phase de définition détaillée (phase B1), puis la phase B2 de réalisation du projet est approuvée le 9 février 2006 par le comité, et la maîtrise d'œuvre est confiée au constructeur EADS Astrium. L'établissement de Toulouse a la responsabilité de mener à bien le développement, tandis que les sous-ensembles sont confiés aux établissements de la société, au Royaume-Uni et en Allemagne. Deux autres industriels jouent un rôle important : BOOSTEC qui réalise la structure du télescope en carbure de silicium et e2v qui fournit les CCD. Le 9 novembre 2006, un appel d'offres est lancé pour le traitement et l'analyse des données collectées par Gaia, qui nécessite des moyens particulièrement importants. Le 25 mai 2007, le comité du programme scientifique confie cette mission au consortium DPAC (Data Processing and Analysis Consortium), rassemblant plusieurs centaines de scientifiques et d'ingénieurs. Le coût total de la mission est évalué à environ 740 millions d'euros (2013), en incluant la fabrication, le lancement et les opérations au sol, mais sans le traitement scientifique des données au sol, qui reste à la charge des États membres de l'Agence spatiale européenne.

Caractéristiques techniques

Gaia est un satellite de 2 030 kg au lancement, dont 920 kg pour la plateforme, 710 kg pour la charge utile, 335 kg d'ergols utilisés par les moteurs-fusées chargés des manœuvres jusqu'au début de la phase scientifique de la mission et 60 kg de gaz utilisé par les propulseurs à gaz froid utilisés durant le reste de la mission. La structure principale a la forme d'un prisme hexagonal de 3,5 m de haut pour 3 m de diamètre, en excluant le pare-soleil qui porte le diamètre à 10 m.

Gaia comprend trois sous-ensembles:

     . la charge utile qui doit remplir les objectifs, constituée de deux télescopes et d'instruments placés dans le plan focal ;
     . la plateforme hébergeant les équipements chargés de faire fonctionner le satellite (contrôle d'attitude, propulsion, télécommunications, énergie, ordinateur de bord) ;
      . un pare-soleil de grand diamètre (10 m), qui doit permettre de maintenir une température très régulière afin d'éviter toute déformation mécanique susceptible d'abaisser la précision des mesures.

( source : Wikipédia )

satellite LISA

Extrait

L'Agence spatiale européenne a décidé de développer une mission baptisée eLISA exploitant cette nouvelle technique d'observation. La mission repose sur 3 satellites maintenant leurs distances relatives constantes et formant un gigantesque interféromètre optique.

( source : Wikipédia )

Synthèse optique programmable de signaux hyperfréquences et micro-ondes

Extrait

Les sources lasers bi-fréquence que nous réalisons se comportent comme des oscillateurs optique-hyperfréquences. En effet, les cavités développées au département Optique et Photonique (qu’elles soient monoaxes ou biaxes) génèrent des signaux hyperfréquences sur porteuse optique (battements), dont nous pouvons contrôler la fréquence par une tension électrique et/ou une commande de température. Ces lasers peuvent alors être utilisés comme oscillateurs commandés en tension (VCO) dans des boucles à verrouillage de phase (PLL). Nous poursuivons le développement de techniques de stabilisation pour assurer, suivant les cas : a) la faible largeur de raie de battement, b) la très grande pureté spectrale du bruit de phase du battement ou encore, c) l’agilité en fréquence.

Dans les premiers cas, nous montrons que la réalisation de boucles analogiques permet de reporter intégralement la pureté spectrale du signal délivré par un générateur hyperfréquence sur la fréquence de battement, ce qui conduit à des largeurs de raies inférieures au mHz. Dans le cas où l’agilité est recherchée, des solutions numériques sont privilégiées. En particulier, l’utilisation conjointe de lasers bi-fréquences monolithiques et de PLL numériques permet de réaliser des synthèses de fréquence agiles avec un bruit de phase au plancher limite théorique [Rol11]. Actuellement, nous utilisons ces techniques de stabilisation sur des lasers à état solide pour des applications de transport de références par liaisons fibrées et pour des applications de télémétrie aérienne (LIDAR-RADAR) [Val13].

( source : ipr.univ-rennes1 )

Interféromètre de Fabry-Perot

L'interféromètre de Fabry-Perot est un interféromètre optique constitué de deux miroir semi-réfléchissant plans et parallèles à hauts coefficients de réflexion. Il doit son appellation à Charles Fabry et Alfred Perot.

La lumière entrante effectue de multiples aller-retour à l'intérieur de cette cavité optique et ressort partiellement à chaque réflexion. Les rayons sortants interfèrent entre eux et produisent des anneaux d'interférence localisés à l'infini.

Description de l'appareil

L'interféromètre est constitué d'une paire de lames semi-réfléchissantes. Les lames sont généralement en coin (une fraction de degré), pour éviter des franges d'interférence dues aux faces arrières ; les dites faces arrières ont en général un traitement antireflet. Le système peut comporter en sortie une lentille de focalisation.

Le système est typiquement éclairé par un faisceau collimaté.

( source : Wikipédia )

satellites d’observation de la Terre

( source : regard-sur-la-terre.over-blog )

Le Laser Mégajoule

Extrait

L’investissement public dans la construction du Laser Mégajoule (LMJ) représente près de trois milliards d’euros sur 15 ans. Le CEA a mis en œuvre une politique industrielle exemplaire, qui fait appel aux industriels des secteurs du bâtiment, de la Défense et de la mécanique, ainsi qu’à de très nombreuses PME/PMI et ETI de haute-technologie.

Grâce à l’expérience acquise depuis plus de 40 ans, la Direction des applications militaires (DAM) du CEA est l'organisme qui possède l’expertise et les moyens indispensables à la conception de lasers de grande énergie. Dès que la décision de lancer le projet LMJ a été prise en 1995, la DAM a décidé d’en assurer la maîtrise d’œuvre d'ensemble, c’est-à-dire la responsabilité de la conception du système global et de l’obtention des performances.

Pour la réalisation de l’infrastructure et des sous-ensembles du laser, elle a fait appel aux industriels français les plus compétents dans les domaines considérés.

L’installation a été divisée en des sous-ensembles aux périmètres bien définis (les sous-systèmes) pour être confiés, à l’issue d’appels d’offres, à des industriels différents. Le retour d’expérience de son prototype, la Ligne d’intégration laser (LIL), a prouvé la pertinence du découpage et de la majorité des choix des industriels.

La figure ci-dessus représente le parcours d’un faisceau laser, depuis sa création dans le pilote (industrie Quantel), jusqu’à sa conversion de fréquence de l’infra-rouge à l’ultra-violet et sa focalisation dans le système de conversion de fréquence (EADS Cilas et Sodern, Thales, Alsyom, SEIV, Euriware, Elta et Bertin).

( source : lmj.cea  )

POURQUOI CERTAINS RAYONNEMENTS SONT-ILS IONISANTS ?

En traversant la matière (vivante ou inerte), les rayonnements rencontrent des atomes auxquels ils arrachent des électrons, s'ils ont suffisamment d'énergie.

Un atome qui perd un ou plusieurs électrons n’est plus électriquement neutre. Il devient un ion (positif car il a plus de protons que d’électrons). On dit qu’il est "ionisé" et le rayonnement en cause est "ionisant". Ce qualificatif est important car un rayonnement ionisant qui traverse le tissu vivant laisse une trace, un chapelet d’ionisations qui peut léser les cellules et en particulier l’ADN.

Les rayonnements alpha, bêta, X et gamma sont "ionisants"

Pour arracher des électrons aux atomes, il est nécessaire que l’énergie du rayonnement (photons ou particules) soit supérieure à l’énergie de liaison minimale des électrons dans les atomes, soit environ 10 électron-volts (eV).

Les rayonnements particulaires sont ionisants car les particules émises lors des processus nucléaires (désintégration radioactive, annihilation) ont des énergies de plusieurs MeV (millions d’électron-volts) : par exemple un rayon alpha peut avoir une énergie de 5 MeV, un rayon bêta de 2 MeV...

Les rayonnements électromagnétiques (c’est-à-dire les photons) ne sont ionisants qu’à partir des ultraviolets, comme le montre la figure :

On voit que la lumière visible, dont l’énergie est de l’ordre de 1 eV, et a fortiori l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio sont des rayonnements non ionisants. La frontière entre non ionisant et ionisant est-elle pour autant une limite de danger pour la santé ? On le prétendait autrefois, mais c’est moins clair aujourd’hui : les effets sur la santé des micro-ondes générés par les téléphones portables, par exemple, font l’objet de débats scientifiques.

( source : rayons-sante )

impulsions attosecondes

Extrait

Alors que les durées d’impulsions des lasers infrarouges atteignent maintenant la limite fondamentale imposée par la durée du cycle optique (quelques femtosecondes), la génération d’harmoniques élevés (GHE) a récemment ouvert de nouvelles perspectives en atteignant le régime attoseconde (1as = 10-18 s).





Les spectres de GHE sont composés de raies correspondant aux multiples impairs de la fréquence fondamentale du laser, et peuvent couvrir une gamme spectrale très large, s’étendant du visible aux rayons X mous.

( source : iramis.cea )