Il y a environ 10 ans, le laser à rayons X le plus puissant au monde, la source de lumière cohérente Linac, a fait ses débuts au SLAC National Accelerator Laboratory. Désormais le prochain laser à rayons X révolutionnaire dans une classe à part, LCLS-II, est en construction au SLAC, avec le soutien de quatre autres laboratoires nationaux du DOE.

Chercheurs en biologie, la chimie et la physique utiliseront LCLS-II pour sonder des éléments fondamentaux de la matière, créer des films en 3D de molécules complexes en action, faisant de LCLS-II un puissant, instrument polyvalent à la pointe de la découverte.

Le projet se concrétise en grande partie grâce à une avancée cruciale dans les domaines de la physique des particules et nucléaire :la technologie des accélérateurs supraconducteurs. Le Fermilab du DOE et le Thomas Jefferson National Accelerator Facility construisent les modules supraconducteurs nécessaires à la mise à niveau de l'accélérateur pour le LCLS-II.

Un puissant outil de découverte

À l'intérieur de l'accélérateur linéaire de particules du SLAC aujourd'hui, les rafales d'électrons sont accélérées à des énergies qui permettent au LCLS de déclencher 120 impulsions de rayons X par seconde. Ces impulsions durent des quadrillions de seconde – une échelle de temps connue sous le nom de femtoseconde – offrant aux scientifiques un aperçu semblable à un flipbook sur les processus moléculaires.

"Heures supplémentaires, vous pouvez créer un film moléculaire sur l'évolution des différents systèmes, " a déclaré Mike Dunne, scientifique du SLAC, directeur de LCLS. "Cela s'est avéré assez remarquable, mais il a aussi un certain nombre de limitations. C'est là qu'intervient LCLS-II."

Grâce à la technologie de pointe des accélérateurs de particules, LCLS-II fournira un million d'impulsions par seconde. L'avancée fournira un aperçu plus détaillé de la façon dont les produits chimiques, les systèmes matériels et biologiques évoluent à une échelle de temps dans laquelle des liaisons chimiques se créent et se brisent.

Pour vraiment comprendre la différence, imaginez que vous êtes un extraterrestre visitant la Terre. Si vous prenez une image par jour d'une ville, tu remarquerais les routes et les voitures qui roulent dessus, mais vous ne pouviez pas dire la vitesse des voitures ou où les voitures vont. Mais prendre un instantané toutes les quelques secondes vous donnerait une image très détaillée de la façon dont les voitures circulent sur les routes et révélerait des phénomènes tels que les embouteillages. LCLS-II fournira ce type d'informations de changement d'étape appliquées aux produits chimiques, processus biologiques et matériels.

Pour atteindre ce niveau de détail, Le SLAC doit mettre en œuvre une technologie développée pour la physique des particules (cavités d'accélération supraconductrices) pour alimenter le laser à électrons libres LCLS-II, ou XFEL.

Accélérer la science

Les cavités sont des structures qui transmettent de l'énergie aux faisceaux de particules, en accélérant les particules qu'ils contiennent. LCLS-II, comme les accélérateurs de particules modernes, tirera parti de la technologie supraconductrice de cavité radiofréquence, également appelée technologie SRF. Une fois refroidi à 2 Kelvin, les cavités supraconductrices permettent à l'électricité de circuler librement, sans aucune résistance. Comme réduire la friction entre un objet lourd et le sol, moins de résistance électrique économise de l'énergie, permettant aux accélérateurs d'atteindre une puissance plus élevée à moindre coût.

"La technologie SRF est l'étape habilitante pour les millions d'impulsions par seconde du LCLS-II, " a déclaré Dunne. " Jefferson Lab et Fermilab développent cette technologie depuis des années. L'expertise de base pour rendre le LCLS-II possible dans ces laboratoires."

Fermilab a modifié une conception de cryomodule de DESY, en Allemagne, et spécialement préparé les cavités pour tirer les performances record des cavités et des cryomodules qui seront utilisés pour le LCLS-II.

Les cryomodules cylindriques, environ un mètre de diamètre, agissent comme des conteneurs spécialisés pour loger les cavités. À l'intérieur, l'hélium liquide ultrafroid circule en continu autour des cavités pour s'assurer qu'elles maintiennent les 2 Kelvin inébranlables essentiels à la supraconductivité. Alignés bout à bout, 37 cryomodules alimenteront le LCLS-II XFEL.

Fermilab et Jefferson Lab partagent la responsabilité de la fabrication, tester et livrer les cryomodules au SLAC. Ensemble, les deux laboratoires construiront tous les cryomodules qui abriteront les cavités. Fermilab fournira 19 cryomodules, et Jefferson Lab fournira les 18 autres. Le plus grand de ces cylindres atteint 12 mètres (40 pieds) de longueur, environ la longueur d'un autobus scolaire. Chaque laboratoire enverra également quelques pièces de rechange au SLAC.

Les cavités et leurs cryomodules représentent des ruptures dans la technologie SRF, fournissant des faisceaux à haute énergie beaucoup plus efficacement qu'auparavant. Les chercheurs ont amélioré les cavités SRF pour atteindre des gradients records, une mesure de la rapidité avec laquelle un faisceau peut atteindre une certaine énergie. Les cavités ont également récemment atteint un résultat sans précédent dans leur efficacité énergétique, doublant la conception de pointe précédente tout en réduisant les coûts.

Les scientifiques et les ingénieurs ont été méticuleux dans le développement des composants de l'accélérateur LCLS-II. Par exemple, pour créer les cryomodules et cavités, Le Fermilab a utilisé un équipement de détection de tremblement de terre pour identifier si les vibrations affectant l'efficacité des cavités étaient internes ou externes. Une fois qu'ils ont déterminé la cause, ils ont modifié la configuration des tuyaux d'hélium liquide pour réduire ces vibrations.

Le Fermilab et le Jefferson Lab enverront également des scientifiques et des ingénieurs pour aider le SLAC lorsque le LCLS-II mettra sous tension les cryomodules pour la première fois.

Jefferson Lab fournit également la conception et l'approvisionnement des installations de réfrigération cryogénique qui fournissent l'hélium liquide pour refroidir les cavités SRF à 2 Kelvin, tandis que le Fermilab fournit la conception et l'approvisionnement des composants pour les systèmes de distribution cryogéniques qui déplacent l'hélium liquide de ces usines vers les cryomodules. Berkeley Lab et Argonne National Laboratory contribuent également à des composants pour LCLS-II, y compris la source qui fournit le faisceau d'électrons et les aimants qui forcent le faisceau dans le mouvement ondulatoire qui crée la lumière des rayons X. L'Université Cornell a soutenu la R&D pour les prototypes de cavités LCLS-II et a aidé à traiter les cavités.

"Nous sommes tous dans le même bateau, " dit Rich Stanek, Chef d'équipe senior du LCLS-II Fermilab. "Cette étroite collaboration des laboratoires nationaux est de bon augure pour les projets futurs. Elle a des avantages au-delà du projet lui-même."

Ces avantages ont fait du LCLS-II l'un des projets prioritaires du Bureau des sciences du DOE et s'étendent au-delà des intérêts des laboratoires partenaires. LCLS-II devrait s'appuyer sur son ancêtre, plonger encore plus profondément dans des domaines allant de la biologie et de la chimie à la science des matériaux et à l'astrophysique.

Ouverture, plonger profondément

Eric Isaacs, le président de la Carnegie Institution for Science et président du Comité des directives scientifiques du SLAC, a déjà examiné un certain nombre de propositions pour la LCLS-II.

« Il existe de nombreux processus qui se déroulent sur des échelles de temps très courtes, " Isaacs a dit, un physicien de la matière condensée de formation. "Et LCLS-II ouvre de nouveaux domaines des sciences à étudier."

L'une de ces questions utilisera le laser à rayons X pour sonder le matériau dans des conditions similaires au centre même de notre planète et mieux comprendre comment la Terre s'est formée. Les astrophysiciens seraient alors en mesure d'adapter ces informations à leur recherche de la vie sur les exoplanètes.

Avec LCLS-II, les scientifiques pourront étudier la photosynthèse à un niveau plus profond que jamais. L'espoir est que les humains seront un jour capables de rétro-concevoir la photosynthèse et d'exploiter un nouvel outil biologique pour générer de l'énergie.

L'une des façons dont le LCLS-II fera progresser la recherche en biologie est de cartographier les protéines et les enzymes dans des conditions ressemblant à leurs environnements normaux. Cette compréhension plus approfondie ouvrira la voie aux scientifiques pour créer de meilleurs médicaments.

Les scientifiques ont également l'intention d'utiliser LCLS-II pour rechercher des supraconducteurs, boucler la boucle de l'utilisation par la machine de la technologie des accélérateurs. Les supraconducteurs actuels sont limités par leur besoin de basses températures. En comprenant le phénomène atomique de la supraconductivité, les chercheurs pourraient être en mesure de créer un supraconducteur à température ambiante.

"La physique des particules et nucléaire a développé les technologies et capacités supraconductrices que LCLS-II utilisera, " a déclaré Isaacs. " Ces avancées permettront au LCLS-II d'examiner certaines des questions les plus importantes dans de nombreuses branches de la science. "

Comme pour toute avancée majeure, le véritable pouvoir de transformation du LCLS-II sera révélé une fois que ses rayons X illumineront un échantillon pour la première fois. LCLS-II devrait démarrer en 2021.