Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et du Laboratoire national d'Argonne ont collaboré pour concevoir, construire et tester deux appareils qui utilisent des matériaux supraconducteurs différents et pourraient rendre les lasers à rayons X plus puissants, polyvalent, compacte et résistante.

Ces appareils prototypes, appelés onduleurs supraconducteurs (SCU), ont réussi à produire des champs magnétiques plus forts que les onduleurs magnétiques permanents conventionnels de la même taille. Ces champs, à son tour, peut produire une lumière laser à plus haute énergie pour ouvrir un plus large éventail d'expériences.

Plusieurs lasers à rayons X à grande échelle sont en chantier dans le monde pour permettre aux scientifiques de sonder les propriétés de la matière à des échelles toujours plus petites et plus rapides, et les onduleurs supraconducteurs sont considérés parmi les technologies les plus habilitantes pour la prochaine génération de ces types de sources lumineuses et d'autres.

De telles sources lumineuses sont des outils puissants pour étudier la structure microscopique et d'autres propriétés des échantillons, telles que les protéines qui sont essentielles à la conception de médicaments, matériaux exotiques pertinents pour les applications électroniques et énergétiques, et la chimie qui est au cœur des processus industriels comme la production de carburant.

Le récent effort de développement a été motivé par la mise à niveau par le SLAC National Accelerator Laboratory de sa source de lumière cohérente Linac (LCLS), qui est le seul laser à électrons libres (FEL) à rayons X du pays. Le nouveau projet, maintenant en cours, est connu sous le nom de LCLS-II.

Les FEL à rayons X utilisent désormais des onduleurs magnétiques permanents pour produire de la lumière à rayons X en remuant des paquets d'électrons à haute énergie dans des champs magnétiques alternatifs produits par une séquence d'aimants permanents.

Mais pour la première fois, Les scientifiques d'Argonne ont démontré qu'un onduleur supraconducteur pouvait être utilisé comme amplificateur laser à électrons libres pour les FEL à rayons X contemporains.

L'équipe de la source avancée de photons (APS) du ministère de l'Énergie à Argonne a construit et testé avec succès un prototype d'aimant SCU de 1,5 mètre de long conçu pour répondre aux exigences des onduleurs FEL. Ce SCU utilise un fil supraconducteur en niobium-titane pour enrouler ses bobines magnétiques.

Cette réalisation importante pourrait ouvrir la voie à l'élargissement de la gamme d'énergie des rayons X aux sources lumineuses existantes sans augmenter l'énergie du faisceau d'électrons. C'est un point important car le coût de construction des installations légères est principalement défini par l'énergie du faisceau d'électrons, dit Efim Gluskin, Argonne Distinguished Fellow et physicien et chef de groupe par intérim du groupe des dispositifs magnétiques de la division des systèmes d'accélérateurs de l'APS.

Gluskin a déclaré que le SCU à base de niobium-titane a été conçu pour répondre à toutes les exigences techniques difficiles appliquées à l'onduleur à rayons X FEL, y compris la qualité et la cohérence du champ de haute précision tout au long de l'aimant. En réalité, il a été prouvé expérimentalement que cet appareil répond à toutes ces exigences. L'équipe de l'APS SCU a utilisé des systèmes cryogéniques et des techniques de mesure magnétique développés en interne pour valider les performances de la SCU.

"Le principal défi est de maintenir le mouvement de tortillement cohérent des électrons à l'intérieur d'une SCU, " dit Gluskin, ajoutant que la plage de déviation acceptée par rapport à la ligne droite du mouvement du faisceau sur une distance de plusieurs mètres n'est que de quelques microns. En comparaison, un cheveu humain moyen mesure 100 microns de large.

"Cela conduit à des exigences très strictes sur la qualité du champ magnétique généré par les aimants SCU, " a déclaré Gluskin.

Paul Emma du SLAC, le responsable de la physique des accélérateurs pour le projet de mise à niveau du LCLS-II a coordonné l'effort de développement de l'onduleur supraconducteur.

"Avec les onduleurs supraconducteurs, " Emma dit, "vous ne réduisez pas nécessairement le coût mais vous obtenez de meilleures performances pour le même tronçon d'onduleur."

Un onduleur supraconducteur d'une longueur équivalente à un onduleur magnétique permanent pourrait produire une lumière au moins deux à trois fois et peut-être jusqu'à 10 fois plus puissante, et pourrait également accéder à une gamme plus large de longueurs d'onde de rayons X, dit Emma. Cela produit un FEL plus efficace.

Les onduleurs supraconducteurs n'ont pas de pièces mobiles macroscopiques, ils pourraient donc être réglés plus rapidement avec une grande précision. Les supraconducteurs sont également beaucoup moins susceptibles d'être endommagés par un rayonnement de haute intensité que les matériaux à aimant permanent, un problème important dans les accélérateurs de forte puissance tels que ceux qui seront installés pour le LCLS-II.

Il semble y avoir une voie claire vers le développement d'onduleurs supraconducteurs pour la mise à niveau des lasers à électrons libres à rayons X existants et nouveaux, Emma a dit, et pour d'autres types de sources lumineuses.

« Les onduleurs supraconducteurs seront la technologie vers laquelle nous irons finalement, que ce soit dans les 10 ou 20 prochaines années, " a-t-il dit. " Ils sont assez puissants pour produire la lumière dont nous aurons besoin – je pense que cela va arriver. Les gens savent que c'est un pas assez grand, et nous devons y arriver."

Dans ce cas, l'équipe APS a développé la technologie de construction SCU pour fournir un appareil prêt à l'emploi dès la sortie du banc d'assemblage.

"L'équipe SCU a trouvé des solutions uniques pour rendre cet onduleur performant dans le cadre des spécifications strictes du système d'onduleur LCLS, " a déclaré Iouri Ivanyushenkov, un physicien à la division des systèmes d'accélérateurs d'Argonne. "Au cours des années, l'équipe SCU a mis en place un ensemble robuste d'étapes et de processus technologiques pour concevoir et construire des onduleurs supraconducteurs de pointe qui fonctionnent avec succès à l'APS. Le succès de ce projet est le résultat direct des systèmes et des installations en place à l'APS."

Geoffroy Pile, Directeur de Division Associé de la Division Support Ingénierie APS à Argonne et ancien directeur du projet onduleur APS LCLS-I, a déclaré que l'APS a une longue histoire et une expertise dans la conception et la construction d'onduleurs pour l'APS et d'autres laboratoires nationaux.

L'un des projets d'Argonne était la conception et la construction du système d'onduleurs LCLS-I - 440 pieds de composants techniques sophistiqués qui incorporaient 33 onduleurs de pointe. L'installation LCLS-I du SLAC National Accelerator Laboratory fonctionne avec succès depuis plus de sept ans.

En outre, Les scientifiques et ingénieurs de l'APS ont récemment conçu et construit un nouveau prototype révolutionnaire d'onduleur à polarisation verticale à espace horizontal pour le projet LCLS-II. Il a été adopté et incorporé dans la conception finale du LCLS-II, et 32 ​​unités de production seront construites pour le SLAC par le Lawrence Berkeley National Laboratory et des partenaires industriels.

« Au cours des deux dernières décennies, l'équipe d'ingénierie APS a construit des onduleurs pour une utilisation à Argonne et à travers le pays, et le SCU est peut-être le projet le plus difficile à ce jour, " Pile a déclaré. "Il a fait avancer la technologie à pas de géant et met en évidence l'expertise à travers l'APS. Surtout, de nombreux partenaires industriels, les gens d'Argonne, et nos collaborateurs du SLAC et de Berkeley ont contribué au succès de ce projet et méritent d'être félicités. »

Gluskin a convenu :« Le développement de ce prototype est l'aboutissement de plus d'une décennie d'engagements d'Argonne envers une technologie SCU nouvelle et innovante qui profitera à toutes les sources lumineuses du DOE.