Niché à 30 pieds sous terre à Menlo Park, en Californie, un tronçon de tunnel d’un demi-mile de long est maintenant plus froid que la majeure partie de l’univers. Il abrite un nouvel accélérateur de particules supraconductrices, qui fait partie d’un projet de mise à niveau du laser à rayons X à rayons X de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie.
Les équipages ont réussi à refroidir l’accélérateur à moins 456 degrés Fahrenheit – ou 2 Kelvin – une température à laquelle il devient supraconducteur et peut propulser les électrons à des énergies élevées avec une énergie presque nulle perdue dans le processus. Il s’agit de l’une des dernières étapes avant que le LCLS-II ne produise des impulsions de rayons X 10 000 fois plus brillantes, en moyenne, que celles du LCLS et qui arrivent jusqu’à un million de fois par seconde, un record mondial pour le X- le plus puissant d’aujourd’hui. sources lumineuses à rayons.
« En quelques heures seulement, le LCLS-II produira plus d’impulsions de rayons X que le laser actuel n’en a généré pendant toute sa durée de vie », déclare Mike Dunne, directeur du LCLS. « Des données qui auraient autrefois pris des mois à être collectées pourraient être produites en quelques minutes. Cela fera passer la science des rayons X à un niveau supérieur, ouvrant la voie à une toute nouvelle gamme d’études et faisant progresser notre capacité à développer des technologies révolutionnaires pour répondre à certaines des les défis les plus profonds auxquels notre société est confrontée. »
Grâce à ces nouvelles capacités, les scientifiques peuvent examiner les détails de matériaux complexes avec une résolution sans précédent pour piloter de nouvelles formes d’informatique et de communication ; révéler des événements chimiques rares et éphémères pour nous apprendre à créer des industries plus durables et des technologies énergétiques propres ; étudier comment les molécules biologiques remplissent les fonctions de la vie pour développer de nouveaux types de produits pharmaceutiques ; et découvrez le monde bizarre de la mécanique quantique en mesurant directement les mouvements d’atomes individuels.
Un exploit glaçant
LCLS, le premier laser à rayons X durs à électrons libres (XFEL) au monde, a produit sa première lumière en avril 2009, générant des impulsions de rayons X un milliard de fois plus lumineuses que tout ce qui avait précédé. Il accélère les électrons à travers un tuyau de cuivre à température ambiante, ce qui limite son débit à 120 impulsions de rayons X par seconde.
En 2013, le SLAC a lancé le projet de mise à niveau LCLS-II pour augmenter ce taux à un million d’impulsions et rendre le laser à rayons X des milliers de fois plus puissant. Pour que cela se produise, les équipes ont retiré une partie de l’ancien accélérateur en cuivre et installé une série de 37 modules d’accélérateur cryogénique, qui abritent des chaînes de cavités métalliques en niobium ressemblant à des perles. Ceux-ci sont entourés de trois couches imbriquées d’équipements de refroidissement, et chaque couche successive abaisse la température jusqu’à ce qu’elle atteigne presque le zéro absolu, une condition dans laquelle les cavités en niobium deviennent supraconductrices.
« Contrairement à l’accélérateur de cuivre alimentant LCLS, qui fonctionne à température ambiante, l’accélérateur supraconducteur LCLS-II fonctionne à 2 Kelvin, seulement environ 4 degrés Fahrenheit au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse possible », a déclaré Eric Fauve, directeur de la division cryogénique de SLAC. « Pour atteindre cette température, le linac est équipé de deux cryousines d’hélium de classe mondiale, faisant du SLAC l’un des points de repère cryogéniques importants aux États-Unis et dans le monde. L’équipe de cryogénie du SLAC a travaillé sur place tout au long de la pandémie pour installer et mettre en service le système cryogénique et refroidir l’accélérateur en un temps record. »
Le linac est équipé de deux cryousines à hélium de classe mondiale. L’une de ces installations cryogéniques, construite spécifiquement pour le LCLS-II, refroidit l’hélium gazeux de la température ambiante jusqu’à sa phase liquide à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, fournissant le liquide de refroidissement de l’accélérateur. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
L’une de ces installations cryogéniques, construite spécifiquement pour le LCLS-II, refroidit l’hélium gazeux de la température ambiante jusqu’à sa phase liquide à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, fournissant le liquide de refroidissement de l’accélérateur.
Le 15 avril, le nouvel accélérateur a atteint sa température finale de 2 K pour la première fois et aujourd’hui, 10 mai, l’accélérateur est prêt pour les opérations initiales.
« Le refroidissement était un processus critique et devait être fait très soigneusement pour éviter d’endommager les cryomodules », a déclaré Andrew Burrill, directeur de la direction des accélérateurs du SLAC. « Nous sommes ravis d’avoir atteint cette étape et de pouvoir maintenant nous concentrer sur l’activation du laser à rayons X. »
Lui donner vie
En plus d’un nouvel accélérateur et d’une usine cryogénique, le projet nécessitait d’autres composants de pointe, dont une nouvelle source d’électrons et deux nouvelles chaînes d’aimants onduleurs capables de générer à la fois des rayons X « durs » et « mous ». Les rayons X durs, plus énergétiques, permettent aux chercheurs d’imager les matériaux et les systèmes biologiques au niveau atomique. Les rayons X mous peuvent capturer la façon dont l’énergie circule entre les atomes et les molécules, suivre la chimie en action et offrir un aperçu des nouvelles technologies énergétiques. Pour donner vie à ce projet, le SLAC s’est associé à quatre autres laboratoires nationaux – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab et Jefferson Lab – et à l’Université Cornell.
Maintenant que les cavités ont été refroidies, la prochaine étape consiste à les pomper avec plus d’un mégawatt de puissance micro-ondes pour accélérer le faisceau d’électrons de la nouvelle source. Les électrons passant à travers les cavités puiseront de l’énergie dans les micro-ondes de sorte qu’au moment où les électrons auront traversé les 37 cryomodules, ils se déplaceront à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Jefferson Lab, Fermilab et SLAC ont mis en commun leur expertise pour la recherche et le développement sur les cryomodules. Après avoir construit les cryomodules, Fermilab et Jefferson Lab ont testé chacun de manière approfondie avant que les récipients ne soient emballés et expédiés au SLAC par camion. L’équipe du Jefferson Lab a également conçu et aidé à se procurer les éléments des cryoplantes.
« Le projet LCLS-II a nécessité des années d’efforts de la part de grandes équipes de techniciens, d’ingénieurs et de scientifiques de cinq laboratoires DOE différents à travers les États-Unis et de nombreux collègues du monde entier », a déclaré Norbert Holtkamp, directeur adjoint du SLAC et directeur de projet pour LCLS- II. « Nous n’aurions pas pu en arriver là où nous en sommes maintenant sans ces partenariats continus et l’expertise et l’engagement de nos collaborateurs. »
Vers les premières radiographies
Maintenant que les cavités ont été refroidies, la prochaine étape consiste à les pomper avec plus d’un mégawatt de puissance micro-ondes pour accélérer le faisceau d’électrons de la nouvelle source. Les électrons passant à travers les cavités puiseront de l’énergie dans les micro-ondes de sorte qu’au moment où les électrons auront traversé les 37 cryomodules, ils se déplaceront à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ensuite, ils seront dirigés à travers les onduleurs, forçant le faisceau d’électrons sur un chemin en zigzag. Si tout est parfaitement aligné, à une fraction près de la largeur d’un cheveu humain, les électrons émettront les rafales de rayons X les plus puissantes au monde.
C’est le même processus que LCLS utilise pour générer des rayons X. Cependant, comme le LCLS-II utilise des cavités supraconductrices au lieu de cavités en cuivre chaud basées sur une technologie vieille de 60 ans, il peut fournir jusqu’à un million d’impulsions par seconde, soit 10 000 fois le nombre d’impulsions de rayons X pour la même facture d’électricité.
Une fois que LCLS-II produira ses premiers rayons X, ce qui devrait se produire plus tard cette année, les deux lasers à rayons X fonctionneront en parallèle, permettant aux chercheurs de mener des expériences sur une plage d’énergie plus large, de capturer des instantanés détaillés de processus ultrarapides, de sonder délicat échantillons et collectez plus de données en moins de temps, ce qui augmente le nombre d’expériences pouvant être réalisées. Cela élargira considérablement la portée scientifique de l’installation, permettant aux scientifiques de tout le pays et du monde entier de poursuivre les idées de recherche les plus convaincantes.