Une zone connue pour ses gadgets de haute technologie et ses innovations abritera bientôt un laser à rayons X supraconducteur avancé qui s'étend sur 3 miles de long, construit par une collaboration de laboratoires nationaux. Le 19 janvier, la première section du nouvel accélérateur de la machine est arrivée par camion au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park après un voyage à travers le pays qui a commencé à Batavia, Illinois, au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi.

Ces sections de 40 pieds de long, appelés cryomodules, sont les éléments constitutifs d'une mise à niveau majeure appelée LCLS-II qui amplifiera les performances du laser à rayons X à électrons libres du laboratoire, la source de lumière cohérente Linac (LCLS).

« Il a fallu des années d'efforts à de grandes équipes d'ingénieurs et de scientifiques aux États-Unis et dans le monde pour faire de l'arrivée du premier cryomodule au SLAC une réalité, " dit John Galayda, Directeur de projet du SLAC pour le LCLS-II. "Et cela marque un pas en avant important alors que nous construisons cette machine innovante."

A l'intérieur des cryomodules, des chaînes de cavités de niobium ultra-froides seront remplies de champs électriques qui accélèrent les électrons à presque la vitesse de la lumière. Cette technologie supraconductrice permettra au LCLS-II de tirer des rayons X qui sont, en moyenne, dix, 000 fois plus lumineux que le LCLS en impulsions qui arrivent jusqu'à un million de fois par seconde.

Avec ces nouvelles fonctionnalités, les scientifiques ont des objectifs de recherche ambitieux :examiner les détails de matériaux complexes avec une résolution inégalée, révéler des événements chimiques rares et transitoires, étudier comment les molécules biologiques remplissent les fonctions de la vie, et plongez dans le monde étrange de la mécanique quantique en mesurant directement les mouvements internes d'atomes et de molécules individuels.

Le Fermi National Accelerator Laboratory construit la moitié des cryomodules pour la mise à niveau du laser LCLS-II, et Thomas Jefferson National Accelerator Facility à Newport News, Virginie, construira l'autre moitié. Laboratoire Fermi, Jefferson Lab et SLAC sont des laboratoires du Department of Energy (DOE) Office of Science.

Après avoir construit les cryomodules, Le Fermilab et le Jefferson Lab testent chacun de manière approfondie avant que les navires ne soient emballés et expédiés par camion. Leur nouvelle maison en Californie sera le tunnel anciennement occupé par une section de l'accélérateur de 3 km du SLAC, situé à 30 pieds sous terre. En hommage à leur destination Bay Area, les cryomodules sont peints en "orange international" pour correspondre au Golden Gate Bridge.

Un système de réfrigération super cool

Les ingénieurs du SLAC et leurs partenaires construisent un réfrigérateur cryogénique, une puissante installation de refroidissement qui contiendra les compresseurs, pompes et hélium nécessaires pour maintenir l'accélérateur à 2 degrés Celsius au-dessus du zéro absolu (ou moins 456 degrés Fahrenheit), environ la même température que l'espace extra-atmosphérique.

A ces basses températures, l'accélérateur devient ce qu'on appelle supraconducteur, capable de stimuler les électrons à des énergies élevées avec une perte d'énergie minimale lorsqu'ils voyagent à travers les cavités. Au moment où les électrons traversent les 37 cryomodules, ils voyageront presque à la vitesse de la lumière.

Une fois que les électrons atteignent des vitesses aussi élevées, ils traversent une série d'aimants puissants, appelés onduleurs, qui fait rebondir le faisceau d'électrons pour générer un faisceau laser à rayons X beaucoup plus lumineux que le LCLS actuel, passant de 120 impulsions par seconde à 1 million d'impulsions par seconde - bien au-delà de toute autre installation dans le monde.

Comment fonctionne un accélérateur supraconducteur

Les segments du nouvel accélérateur du SLAC reposent sur ce qu'on appelle la technologie des radiofréquences supraconductrices. L'énergie micro-ondes générée au-dessus du sol est acheminée par des tuyaux appelés guides d'ondes dans les cryomodules souterrains. Là, les micro-ondes alimentent un champ électrique oscillant qui résonne à l'intérieur des cavités en niobium et finit par s'intensifier jusqu'à une tension très élevée.

Lorsque la tension oscillante dans chaque cavité est cadencée au rythme des paquets d'électrons traversant les cavités, les électrons reçoivent un regain d'énergie et accélèrent.

« Si un diapason - un autre type de résonateur - avait les mêmes performances qu'une de ces cavités supraconductrices, ça sonnerait bien plus d'un an, " dit Marc Ross, un physicien des accélérateurs du SLAC qui dirige le développement des cryomodules. "La supraconductivité permet aux cavités d'accélérer les électrons de manière stable, onde continue sans interruption, et avec une efficacité extrêmement élevée."

L'élément niobium est un matériau commun pour les supraconducteurs, et les cavités sont réalisées avec une version extrêmement pure pour minimiser toute perte électrique. Huit cavités en niobium sont boulonnées ensemble dans une chaîne à l'intérieur de chaque cryomodule. Ils sont assemblés comme "un bateau dans une bouteille, " dit Ross. Les cavités sont entourées de trois couches imbriquées d'équipements de refroidissement, avec chaque couche successive abaissant la température jusqu'à ce qu'elle atteigne presque le zéro absolu.

La prochaine génération de lasers à rayons X

Le système qui maintient les cavités froides a été utilisé pour refroidir les aimants qui dirigent les particules dans les collisionneurs, y compris le Grand collisionneur de hadrons de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) et le Tevatron du Laboratoire Fermi.

Des cryomodules dotés de cavités radiofréquence supraconductrices accélèrent les électrons qui génèrent des rayons X au laser à électrons libres à rayons X européen récemment mis en service. Les ingénieurs du Fermilab et du Jefferson Lab ont peaufiné la conception de ces cryomodules pour adapter l'équipement au LCLS-II. Ils ont également grandement amélioré la qualité des cavités grâce à une technique appelée dopage à l'azote, qui produit des cavités qui génèrent moins de chaleur aux températures les plus froides. Ces ajustements réduisent la perte d'énergie et rendent possible un laser beaucoup plus lumineux. LCLS-II sera la première mise en œuvre à grande échelle de ces dernières avancées techniques.

Pour LCLS-II, Laboratoire national Lawrence Berkeley, avec d'importantes contributions à la conception du Laboratoire national d'Argonne, a également créé un nouveau "canon à électrons" avancé pour injecter des électrons dans l'accélérateur et des onduleurs spécialisés pour générer les rayons X.

De nouvelles possibilités scientifiques

Avec des impulsions plus fréquentes, le laser amélioré permettra aux scientifiques de recueillir plus de données en moins de temps. Cela augmente le nombre d'expériences qui peuvent être réalisées et permet de nouveaux types d'études qui étaient auparavant inconcevables.

"En l'espace de quelques heures, Le LCLS-II sera capable de produire plus d'impulsions de rayons X que le laser actuel n'en a délivré dans l'ensemble de ses opérations à ce jour, " dit Mike Dunne, directeur de LCLS. "Les données qui prendraient actuellement un mois à collecter pourraient être produites en quelques minutes."

Des impulsions plus fréquentes augmentent également les chances que les scientifiques puissent, par exemple, observer des événements rares qui se produisent lors de réactions chimiques ou dans des molécules biologiques délicates dans leur environnement naturel. L'accélérateur supraconducteur en construction fonctionnera en parallèle avec celui d'origine. Les deux faisceaux laser ouvriront de tout nouveaux types d'études du monde quantique, informer le développement de matériaux avec de nouvelles caractéristiques.

Les 36 cryomodules restants devraient arriver au SLAC au cours des 18 prochains mois. La construction du LCLS-II a commencé l'année dernière. L'installation d'utilisateurs du DOE s'ouvrira aux chercheurs du monde entier avec les meilleures idées d'expériences au début des années 2020.

En savoir plus sur les opportunités scientifiques avec LCLS-II.

Hier et maintenant

Le SLAC a l'habitude d'entreprendre de grands projets depuis la naissance du laboratoire il y a plus de cinq décennies. "Projet M" (pour "Monstre"), la construction d'un accélérateur de particules qui s'étend sur 2 miles de long, a permis aux scientifiques d'étudier les éléments constitutifs de l'univers. Cet accélérateur linéaire était le plus long jamais construit.

En 2009, le laboratoire a réutilisé un tiers de l'accélérateur de cuivre original des années 1960 pour alimenter un faisceau d'électrons dans LCLS, le premier laser du genre à produire des impulsions rapides de rayons X « durs » ou à haute énergie pour des expériences d'imagerie innovantes. Un autre tiers de ce linac en cuivre d'origine a maintenant été nettoyé pour faire place à l'arrivée des nouveaux cryomodules supraconducteurs.