Le hub central pour les faisceaux d'électrons puissants du laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie fait peau neuve pour préparer l'installation de LCLS-II - une mise à niveau majeure de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), le premier laser à électrons libres à rayons X durs au monde. LCLS-II fournira les rayons X les plus puissants jamais réalisés en laboratoire, avec des poutres qui sont 10, 000 fois plus lumineux qu'avant, ouvrant des perspectives de recherche inédites en chimie, la science des matériaux, recherche en biologie et en énergie.

Le hub, appelé Beam Switch Yard (BSY), est une section de 600 pieds de long située à l'extrémité est de l'accélérateur linéaire historique (linac) du laboratoire, long de 2 miles, où les électrons à haute énergie de l'accélérateur sont redirigés vers des stations expérimentales. Ces « trains d'électrons » rappellent les différentes lignes d'un système de métro qui relie différents endroits d'une ville.

"La nouvelle conception BSY ouvre la voie au LCLS-II et permet la plus large gamme d'options pour le futur laser à rayons X, " dit Scott DeBarger du SLAC, responsable du projet de reconfiguration BSY.

LCLS d'aujourd'hui, une installation utilisateur du DOE Office of Science, utilise une seule ligne d'électrons qui commence à un injecteur d'électrons au début du dernier tiers de l'accélérateur en cuivre d'origine du linac et se termine juste au-delà de l'onduleur LCLS – une série d'aimants qui convertit l'énergie des électrons en rayons X ultra-lumineux.

Mais la future installation aura besoin de plus de connexions. En plus du linac de cuivre, Le LCLS-II disposera d'un accélérateur supraconducteur qui augmentera la cadence de tir du laser à rayons X jusqu'à un million d'impulsions par seconde. L'onduleur actuel sera également remplacé par deux onduleurs à la pointe de la technologie pour la génération de rayons X à basse énergie (mous) et à haute énergie (dur). La reconfiguration BSY garantit que les deux faisceaux d'électrons pourront alimenter l'un ou l'autre onduleur, qui nécessite quatre lignes principales.

Pour donner aux chercheurs du LCLS-II le contrôle du taux d'impulsions de rayons X dans leurs expériences, une autre ligne peut diriger les trains d'électrons provenant du linac supraconducteur vers une décharge de faisceaux avant qu'ils n'atteignent les onduleurs.

Une sixième ligne conduira à la station terminale A pour des expériences utilisant directement les faisceaux d'électrons extrêmement puissants.

Jose Chan, ingénieur en mécanique et gestionnaire de système du SLAC, et son équipe ont conçu la ligne de lumière LCLS-II qui traverse la zone de reconfiguration BSY, y compris une chambre à vide qui relie le linac supraconducteur LCLS-II à la ligne de lumière du linac en cuivre actuellement utilisé pour les onduleurs à rayons X durs.

Une opération de nettoyage monumentale

Pour dégager le chemin pour LCLS-II, les équipes ont d'abord dû retirer tous les matériaux inutiles du BSY - une tâche monumentale compte tenu de la riche histoire du SLAC dans la science des accélérateurs et du matériel hérité qu'il a créé.

« Quand les expériences se terminent, la plupart des anciens équipements sont généralement laissés en place, " dit Mark Woodley du SLAC, un concepteur optique impliqué dans le projet de reconfiguration BSY. « Seuls les éléments qui entravent les nouvelles expériences sont retirés. »

A ses débuts dans les années 60, le linac a fourni des faisceaux d'électrons à trois stations expérimentales. Il y avait une ligne qui allait directement dans la cour de recherche du laboratoire. Aujourd'hui cette ligne continue jusqu'à l'onduleur LCLS. Des aimants pulsés dans le BSY pourraient dévier le faisceau vers les stations terminales A et B via deux lignes de faisceau qui bifurquaient de la ligne centrale.

En 1980, deux autres branches ont été ajoutées pour alimenter les électrons et les positons, les frères et sœurs antiparticulaires des électrons, dans les deux anneaux de stockage de l'accélérateur PEP (PEP-II de 1999). En 1987, deux autres branches étaient nécessaires pour fournir des faisceaux aux deux bras du collisionneur linéaire de Stanford (SLC).

La plupart des vieux matériaux laissés dans le BSY par ces expériences ont maintenant été nettoyés - un travail qui a pris 300 employés et près de 24 sous-traitants, 000 heures de travail dans la période de décembre 2016 à mai 2017. Ils ont enlevé 325 verges cubes, soit environ 24 tonnes, de matériel – assez pour remplir huit conteneurs maritimes terrestres – et plus de 300, 000 pieds de câbles.

« Considérant la tâche monumentale qui nous attendait, c'est vraiment impressionnant à quel point ce projet s'est bien déroulé, " Dit DeBarger. " Cela impliquait de nombreuses personnes de l'intérieur et de l'extérieur du laboratoire, et chacun d'entre eux était absolument nécessaire."

Construire l'avenir de la science des rayons X

Après avoir effacé le BSY, les membres du projet de reconfiguration ont installé une nouvelle ligne de lumière qui relie le linac de cuivre à l'onduleur LCLS actuel. En parallèle, le système d'extraction d'électrons pour la ligne End Station A a été mis en place par une autre équipe projet.

"Nous avons également installé le tout premier tube de faisceau LCLS-II à l'extrémité d'un" bouclier à muons "qui est constitué de blocs d'acier de 5 et 10 tonnes et protège le hall de transport de faisceau en aval du BSY, permettant l'accès pendant que les faisceaux sont réglés dans le BSY, " dit le doyen Hanquist, gestionnaire de compte de contrôle dans l'équipe de Chan.

"À la fin, nous devions nous assurer que tout fonctionne à nouveau correctement pour LCLS, qui a maintenant repris son programme expérimental, », explique Tonee Smith, physicien de la région BSY. « Par exemple, tous les aimants utilisés dans la ligne de lumière pour focaliser le faisceau d'électrons et y apporter de petites corrections ont été remis à neuf, et nous avons dû les remesurer et les tester."

Les lignes de lumière et les jonctions restantes seront installées pendant une période d'arrêt LCLS d'un an, qui débutera à l'été 2018. Une fois terminé, le nouveau "système de métro" BSY sera prêt à transporter des trains d'électrons vers la nouvelle installation laser à rayons X, où ils alimenteront la science révolutionnaire des rayons X pour les années à venir.