Des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont mis au point un moyen moins coûteux et plus efficace de contrôler les faisceaux de rayons X utilisés pour étudier les détails complexes des batteries, cellules solaires, protéines et toutes sortes de matériaux. Les nouveaux dispositifs de mise en forme de faisceau, inventé par l'ingénieur mécanicien de Brookhaven Sushil Sharma, peut être fabriqué à partir d'une seule pièce de cuivre, ce qui réduit considérablement le temps et la complexité de leur construction – et leur coût. Il n'est pas étonnant que les sources lumineuses à rayons X du monde entier, y compris Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), commencent à choisir les nouvelles conceptions par rapport à leurs prédécesseurs plus complexes et coûteux.

Sources de lumière synchrotron comme NSLS-II, une installation utilisateur du DOE Office of Science, produire des faisceaux de rayons X très puissants en agitant le chemin des électrons passant à travers un anneau circulaire à 99,99 % de la vitesse de la lumière. Les oscillations provoquent l'émission de rayons X par les électrons, qui sont canalisés dans des lignes de lumière pour permettre aux scientifiques d'étudier des choses que nous ne pouvons pas voir à l'œil nu, des cellules biologiques jusqu'aux atomes individuels. Lorsque NSLS-II est entièrement construit, il disposera de plus de soixante lignes de lumière effectuant des recherches sur de nombreux sujets divers, des protéines humaines à la photosynthèse artificielle, batteries avancées, et les particules de poussière interplanétaires.

« Je trouve passionnant de travailler dans une installation où se déroulent des recherches qui pourraient changer la vie des gens à l'avenir, " dit Sharma.

Les faisceaux de rayons X que produit NSLS-II, cependant, sont très puissants et doivent être bien contrôlés pour délivrer la bonne intensité à chaque ligne de lumière. De nombreux « dispositifs intercepteurs de faisceau » assument ce rôle, chacun effectuant un travail légèrement différent :diviser le faisceau, diminuant la taille du faisceau, ou en protégeant les composants sensibles à la chaleur des rayons X.

Classiquement, les ingénieurs ont construit tous ces appareils en utilisant plusieurs pièces - une partie médiane en alliage de cuivre, et des embouts en acier inoxydable qui forment un joint sous vide avec la ligne de lumière. Malheureusement, cette conception demande beaucoup de temps, procédés à haute température pour assembler toutes les pièces, et un alliage de cuivre exclusif et coûteux qui peut résister à la chaleur de la production. Selon Sharma, il faut de six à neuf mois pour obtenir l'alliage et fabriquer ces appareils.

"Nous procédions ainsi depuis 25 ans, mais l'ensemble du processus prenait du temps et n'était pas très fiable. C'était un problème difficile pour les installations de source lumineuse, " dit-il. " J'ai commencé à penser :pourquoi ne pas fabriquer toute la pièce à partir d'un seul matériau ? Il a fallu des efforts ciblés dans la conception et les tests, mais c'est le résultat."

Avec l'aide des ingénieurs NSLS-II Christopher Amundsen, Frank DePaola, Lewis Doom, Mohammed Hussein, et Frank Lincoln pour développer et tester les nouveaux appareils, La vision de Sharma a pris vie. Le nouveau design se débarrasse des embouts en acier inoxydable—au lieu de cela, le cuivre lui-même est façonné pour former un joint étanche sous vide avec la ligne de lumière. Par conséquent, les appareils sont constitués d'une seule pièce de cuivre, éliminant le temps, traitement à haute température et le besoin d'un cuivre exclusif résistant à la chaleur. Au lieu du matériel coûteux, la nouvelle conception utilise un alliage de cuivre largement disponible vendu à un quart du coût. Globalement, La conception de Sharma est la moitié du prix des appareils conventionnels, qui variait de 5 $, 000 à 25 $, 000 chacun.

La conception monobloc réduit également considérablement le temps de production. En 2016, cela a été mis à l'épreuve au Brookhaven Lab lorsque les appareils conventionnels qui avaient été commandés précédemment ne sont pas arrivés en raison de problèmes de fabrication. Besoin d'un remplacement rapide pour faire fonctionner la ligne de lumière, le laboratoire a fabriqué les appareils dans un atelier d'usinage sur site en utilisant le nouveau design de Sharma. Il ne leur a fallu que dix jours pour en produire trois, alors que même la première étape d'obtention de l'alliage de cuivre résistant à la chaleur pour un dispositif conventionnel aurait pu prendre des mois.

Une source de lumière synchrotron de la taille de NSLS-II a besoin d'environ 1, 000 de ces dispositifs intercepteurs de faisceau, donc ce nouveau design peut faire gagner un temps considérable aux sources lumineuses, de l'argent, et efforts. L'installation européenne de rayonnement synchrotron, une source lumineuse de taille similaire à NSLS-II, a déjà mis en service quatre cents dispositifs utilisant la conception de Sharma.

Jusque là, NSLS-II a intégré quarante de ces nouveaux appareils dans ses lignes de lumière. Et, après un an de fonctionnement ici à Brookhaven Lab, dit Sharma, "les appareils font toujours parfaitement leur travail."