Light sources based on accelerators aim at producing very high brilliance coherent radiation, tuneable from the infrared to X-ray range, with picosecond or femtosecond light pulses.

The first synchrotron light sources were built around storage rings in which a large number of relativistic electrons produce “synchrotron radiation” when their trajectory is subjected to a magnetic field, either in bending magnets or in specific insertion devices (undulators), made of an alternating series of magnets, allowing the number of curvatures to be increased and the radiation to be reinforced.

These “synchrotron radiation” storage rings are now used worldwide (there are more than thirty), and they simultaneously distribute their radiation to several tens of users around the storage ring.

The most effective installations in term of brilliance are the so-called 3rd generation synchrotron radiation light sources. The radiation produced presents pulse durations of the order of a few tens of ps, at a high rate (of the order of MHz); it is tuneable over a large range, depending on the magnetic field and the electron beam energy and its polarisation is adjustable (in the VUV-soft-X range). Generally, a very precise spectral selection is made by the users with a monochromator.

The single pass linear accelerators can produce very short electron bunches ( ). The beam of very high electronic density is sent into successive undulator modules, reinforcing the radiationʼs longitudinal coherence, produced according to a Free Electron Laser (FEL) scheme by the interaction between the electron bunch and a light wave. The very high peak brilliance justifies their designation as 4th generation sources. The number of users is smaller because an electron pulse produces a radiation burst towards only one beamline. Energy Recovery Linacs (ERL) let the beam pass several times in the accelerator structures either to recover the energy or to accelerate the electrons during several turns, and thus provide subpicosecond beams for a greater number of users.

A state-of-the-art of X sources using conventional (and not laser plasma based) accelerators is given here, underlying the performance already reached or forecast and the essential challenges. To cite this article: M.-E. Couprie, J.-M. Filhol, C. R. Physique 9 (2008).

Les sources de lumière reposant sur lʼemploi dʼun accélérateur permettent de produire un rayonnement cohérent de très haute brillance, accordable en longueur dʼonde depuis lʼinfrarouge jusquʼaux rayons X, avec des impulsions picoseconde ou femtoseconde (fs).

Les premières sources de rayonnement synchrotron se sont installées autour dʼanneaux de stockage dans lesquels un grand nombre dʼélectrons dʼénergie relativiste produisent du « rayonnement synchrotron » lorsque leur trajectoire est soumise à lʼaction dʼun champ magnétique, soit dans les aimants de courbure, soit dans des éléments magnétiques spécifiques (onduleurs) constitués dʼune succession dʼaimants alternés, permettant de multiplier le nombre de courbures de trajectoire pour renforcer le rayonnement.

Ces anneaux « synchrotron » sont couramment utilisés de par le monde (il en existe plus dʼune trentaine), car ils distribuent leur rayonnement simultanément à plusieurs dizaines dʼutilisateurs répartis autour de lʼanneau.

Les installations les plus performantes en terme de brillance sont les sources de rayonnement synchrotron dites de troisième génération. Le rayonnement produit présente des durées dʼimpulsion de lʼordre de quelques dizaines de ps, à haute cadence (de lʼordre du MHz), est accordable sur une large gamme, dépendant du champ magnétique et de lʼénergie du faisceau dʼélectrons, et sa polarisation est ajustable (dans le domaine VUV-X mous). En général, une sélection spectrale très fine est effectuée par les utilisateurs à lʼaide dʼun monochromateur.

Les accélérateurs linéaires à simple passage offrent la possibilité de produire des paquets dʼélectrons de durée très courte ( ). Le faisceau de très haute densité électronique est envoyé dans une succession de modules dʼonduleurs, permettant de renforcer la cohérence longitudinale du rayonnement produit selon un schéma de laser à électrons libres par interaction entre le paquet dʼélectron et une onde lumineuse. Les brillances crêtes très élevées justifient leur appellation de sources de quatrième génération. Le nombre dʼutilisateurs est plus restreint, car une impulsion dʼélectrons produit une bouffée de rayonnement en direction dʼune seule ligne de lumière. Les accélérateurs linéaires à recirculation permettent de faire passer le faisceau plusieurs fois dans les structures accélératrices soit pour en récupérer lʼénergie (ERL : Energy Recovery Linac) soit pour lʼaccélérer sur plusieurs tours, et fournir ainsi des faisceaux subpicoseconde à un plus grand nombre dʼutilisateurs.

Un état de lʼart des sources X employant des accélérateurs conventionnels est donné, en soulignant les performances atteintes ou visées, et les enjeux essentiels. Pour citer cet article : M.-E. Couprie, J.-M. Filhol, C. R. Physique 9 (2008).