Un instrument à rayons X unique en son genre pour la recherche exploratoire avec des rayons X à haute luminosité est maintenant en service au Laboratoire national d'Argonne. Le nouveau dispositif utilise une technologie supraconductrice unique qui accélère les électrons sur un chemin semblable à celui d'une montagne russe.

Le dispositif d'insertion (ID), appelé onduleur supraconducteur hélicoïdal (HSCU), a été conçu à l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national d'Argonne du DOE. L'appareil présente trois avantages principaux par rapport aux autres types d'ID pour produire des rayons X de haute luminosité :(1) il génère un champ magnétique plus fort que les autres ID; (2) il permet aux chercheurs de sélectionner une seule énergie à partir du faisceau de rayons X sans utiliser d'optique à rayons X; et (3) il produit un faisceau de rayons X à polarisation circulaire. Argonne a développé l'onduleur hélicoïdal avec un financement de 2 millions de dollars du DOE Office of Science.

Pris ensemble, ces avantages sont passionnants pour les chercheurs car l'appareil leur permet de collecter des données plus rapidement et plus proprement qu'avec d'autres appareils, puisque le HSCU ne nécessite pas d'optique supplémentaire pour effectuer des expériences.

Un ID typique est un ensemble de puissantes structures magnétiques périodiques qui créent une luminosité élevée, émission de rayonnement synchrotron dirigée vers l'avant en forçant un faisceau de particules chargées stockées (électrons à l'APS) à effectuer des ondulations ou des ondulations lorsqu'ils traversent l'appareil. Le HSCU est le dernier d'une série de deux décennies d'identifications innovantes conçues et livrées par des scientifiques et des ingénieurs d'Argonne pour l'APS et d'autres installations de rayonnement X synchrotron du DOE.

Un onduleur supraconducteur hélicoïdal est un dispositif très difficile à intégrer dans un anneau de stockage d'électrons en fonctionnement, comme celui de l'APS, car il introduit de fortes limitations sur la manipulation du faisceau d'électrons dans l'anneau de stockage. Cela pourrait provoquer des perturbations dans les opérations de l'anneau et, Par conséquent, dans la livraison de rayons X aux chercheurs en attente. La conception mécanique et magnétique ingénieuse de la géométrie de la bobine HSCU développée par les ingénieurs et les physiciens APS permet de ne pas perturber le fonctionnement stable de l'anneau de stockage APS. Les chercheurs ne savent que le HSCU est là en raison des faisceaux de rayons X qu'il délivre.

Efim Gluskin, un Argonne Distinguished Fellow et ancien directeur de division de l'APS qui a dirigé le programme d'onduleurs à l'APS depuis sa création, a comparé le mouvement du groupe d'électrons dans le HSCU au mouvement en boucle d'une montagne russe enroulée comme le vol X Flight au parc d'attractions Six Flags Great America près de Chicago. Comme les électrons tirent le bouchon à travers le champ magnétique de l'appareil, ils génèrent le rayonnement polarisé circulairement.

Mais pour forcer les mouvements en spirale des électrons, un aimant spécial devait être construit avec un fort champ magnétique en spirale. Cet objectif a été atteint en enroulant des fils supraconducteurs autour d'une section de fer en forme de tire-bouchon. Le résultat final est un électro-aimant supraconducteur de 1,1 mètre de long avec de nombreux pôles magnétiques nord-sud alternés en forme de spirale; ces pôles magnétiques, lorsque le HSCU est sous tension, sont ce qui envoient les électrons sur leur chemin en spirale.

Le HSCU fournit aux chercheurs un faisceau de rayons X plus intense qui permet une acquisition de données plus rapide que les onduleurs conventionnels, à des échelles de temps du milliardième de seconde. Et comme les onduleurs conventionnels, le nouveau type d'onduleur peut permettre des recherches sur une gamme de phénomènes complexes, y compris la dynamique évolutive des écoulements de fluides complexes et le magnétisme des métaux.

Lors de l'utilisation d'onduleurs conventionnels, les scientifiques doivent utiliser un appareil supplémentaire équipé de composants optiques à rayons X appelés monochromateurs pour sélectionner leur énergie préférée de faisceau de rayons X. Mais le HSCU délivre immédiatement un faisceau de rayons X monochromatique directement de l'onduleur à l'échantillon étudié sans l'aide d'un monochromateur. Cela fournit non seulement un faisceau plus intense, mais aussi un faisceau plus cohérent (ou parfait) puisque toute optique aura de petites imperfections qui peuvent introduire des distorsions indésirables dans le faisceau de rayons X. Et en plus de ça, la capacité à produire un rayonnement polarisé circulairement est importante, étant donné que la lumière circulaire est sensible aux propriétés d'un matériau telles que le magnétisme et la chiralité moléculaire - ou la maniabilité - que la lumière linéaire ou non polarisée ne peut pas voir.

Le nouvel onduleur a commencé à fonctionner sur la ligne de faisceaux de rayons X du secteur 7-ID de l'APS le 19 janvier 2018. Cette ligne de lumière, qui est géré par la Division de la science des rayons X d'Argonne, est dédié aux mesures ultra-rapides résolues en temps des matériaux. Les scientifiques prévoient d'utiliser le nouveau dispositif pour étudier la dynamique de l'injection de carburant; une meilleure compréhension de ce processus pourrait conduire à des véhicules à moteur plus économes en carburant.

"Ils peuvent apporter ce faisceau directement de l'onduleur et faire une expérience d'imagerie standard, comme si vous feriez une radiographie dans un cabinet médical ou un établissement dentaire. Mais vous pouvez le faire très vite ici, " à des intervalles d'un milliardième de seconde, dit Jonathan Lang, directeur de la Division des sciences des rayons X à l'APS.

Une autre technique qui bénéficiera du nouvel onduleur est la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X. Cette technique est l'équivalent aux rayons X de la projection d'un pointeur laser contre un mur; la tache qu'il génère semble scintiller, le résultat de variations d'intensité. "C'est à cause de la rugosité du mur, " dit Lang.

Si cette rugosité changeait des millions de fois par seconde, les scientifiques seraient capables de détecter le changement correspondant dans le diagramme d'interférence du mur en utilisant la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X. La longueur d'onde unique fournie par le nouvel onduleur permettra aux expérimentateurs d'observer comment les matériaux évoluent à des échelles de temps encore plus rapides qu'auparavant. "En regardant les rayons X et comment ils se dispersent et scintillent, nous pouvons dire comment les molécules se déplacent dans le matériau et à quelles échelles de temps elles se déplacent, " dit Lang.

Le nouvel onduleur réalisera également une imagerie en contraste de phase pour mettre en évidence certains aspects des phénomènes étudiés, comme le carburant diesel qui est composé de divers éléments légers appelés hydrocarbures. L'imagerie en contraste de phase peut améliorer le contraste entre les hydrocarbures et l'air pendant les expériences, permettre aux chercheurs de voir des structures qu'il n'est pas possible d'observer en imagerie à rayons X classique, qui n'affiche que des variations de densité. Par exemple, Les radiographies prises dans un cabinet médical montrent les os plus clairement que les tissus mous beaucoup plus légers.

Gluskin s'attend à ce que les nouveaux onduleurs supraconducteurs deviennent un outil commun pour les futures sources de lumière et les lasers à électrons libres, car ils surpassent les onduleurs à aimant permanent existants dans la fourniture de faisceaux de rayons X brillants pour une large gamme d'énergie. Et le HSCU en particulier ouvre la porte à la prochaine génération de lasers à électrons libres plus compacts et plus économiques.

La technologie des onduleurs supraconducteurs est également essentielle pour la mise à niveau de l'APS. La mise à niveau équipera les chercheurs d'une installation de nouvelle génération pour sonder plus précisément la structure et la fonction atomiques et moléculaires, étendre le leadership mondial des États-Unis dans la recherche scientifique et technologique sur les rayons X durs (courte longueur d'onde) pour les décennies à venir.

"L'onduleur supraconducteur hélicoïdal va nous permettre d'essayer certaines techniques que nous voulons faire dans la mise à niveau, " dit Lang.