Il y a un peu plus de dix ans, en avril 2009, le premier laser à électrons libres à rayons X durs (XFEL) au monde a produit sa première lumière au SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie. La source de lumière cohérente Linac (LCLS) a généré des impulsions de rayons X un milliard de fois plus lumineuses que tout ce qui s'était produit auparavant. Depuis, ses performances ont permis de nouvelles connaissances fondamentales dans de nombreux domaines scientifiques, de la création de "films moléculaires" de la chimie en action à l'étude de la structure et du mouvement des protéines pour les nouvelles générations de produits pharmaceutiques et à la réplication des processus qui créent la "pluie de diamant" au sein des planètes géantes de notre système solaire.

La prochaine grande étape dans ce domaine a été amorcée en 2013, le lancement du projet de mise à niveau LCLS-II pour multiplier par milliers la puissance du laser à rayons X, produisant un million d'impulsions par seconde contre 120 par seconde aujourd'hui. Cette mise à niveau devrait être achevée dans les deux prochaines années, et le laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE (Berkeley Lab) fait partie d'un groupe de collaborateurs qui ont apporté des contributions majeures.

Aujourd'hui, la première phase de la mise à niveau est entrée en service, produisant pour la première fois un faisceau de rayons X à l'aide d'un élément critique de l'équipement nouvellement installé.

"Le projet LCLS-II représente les efforts combinés de cinq laboratoires nationaux des États-Unis, avec de nombreux collègues de la communauté universitaire et du DOE, " dit Chi-Chang Kao, directeur du SLAC. « Le succès d'aujourd'hui reflète l'énorme valeur des partenariats et de la collaboration continus qui nous permettent de créer des outils et des capacités uniques de premier plan au monde.

Les XFEL fonctionnent selon un processus en deux étapes. D'abord, ils accélèrent un puissant faisceau d'électrons à presque la vitesse de la lumière. Ils font ensuite passer ce faisceau à travers une série d'aimants parfaitement réglés à l'intérieur d'un appareil appelé onduleur, qui convertit l'énergie des électrons en intenses salves de rayons X. Les rafales ne durent que des millionièmes de milliardième de seconde, si courtes qu'elles peuvent capturer la naissance d'une liaison chimique et produire des images avec une résolution atomique.

Le projet LCLS-II transformera les deux éléments de l'installation en installant un tout nouvel accélérateur qui utilise la technologie cryogénique supraconductrice pour atteindre le taux de répétition sans précédent dans un laser à électrons libres, ainsi que des onduleurs qui peuvent fournir un contrôle exquis du faisceau de rayons X.

En plus de superviser la construction et la livraison de tous les « durs, " ou des segments d'onduleurs à rayons X à énergie plus élevée qui ont permis le dernier jalon, Berkeley Lab apporte également plusieurs autres contributions au projet LCLS-II.

Berkeley Lab a conçu et supervisé la construction et la livraison des onduleurs pour la ligne de rayons X « mous » à basse énergie; conçu, construit, et a livré la source d'injecteur à haute luminosité qui fournit le faisceau d'électrons ; et dirige en collaboration le développement de matériel et de logiciels pour le système de contrôle des radiofréquences de bas niveau (LLRF) qui aide à contrôler l'accélérateur supraconducteur qui fait partie de la ligne de rayons X mous. Et Berkeley Lab prévoit un rôle dans le projet de mise à niveau LCLS-II High Energy, qui doublera l'énergie des électrons de l'accélérateur de rayons X durs.

Puissant et précis

Au cours des 18 derniers mois, l'onduleur LCLS d'origine a été retiré et remplacé par deux nouveaux systèmes offrant de nouvelles capacités spectaculaires. Chacune de ces lignes d'onduleurs contient des milliers d'aimants permanents et s'étend sur 100 mètres; ensemble, ils créent des champs magnétiques des dizaines de milliers de fois plus puissants que ceux de la Terre. Cela génère des forces équivalentes à quelques tonnes de poids tout en maintenant la rigidité de la structure qui maintient les aimants dans un centième de la largeur d'un cheveu humain.

Les nouveaux onduleurs à rayons X durs ont été prototypés par le laboratoire national d'Argonne du DOE, conçu par les laboratoires Argonne et Berkeley, construit par Berkeley Lab, et ont été installés au SLAC au cours de la dernière année. Les rayons X mous et durs peuvent sonder différents types et propriétés d'échantillons. L'onduleur à rayons X mous LCLS-II, entraîné par l'accélérateur supraconducteur, n'a pas encore été testé.

Aujourd'hui, le système à rayons X durs a démontré ses performances en préparation pour les campagnes expérimentales à venir. Les scientifiques de la salle de contrôle de l'accélérateur du SLAC ont dirigé le faisceau d'électrons de l'accélérateur LCLS existant à travers le réseau d'aimants de l'onduleur.

En quelques heures seulement, ils ont produit le premier signe de rayons X, puis réglé avec précision la configuration pour obtenir des performances laser à rayons X complètes avec les segments d'onduleur disponibles. La plupart des segments d'onduleurs à rayons X durs ont été installés, et les segments restants devraient être livrés et installés au cours du mois à venir.

"Atteindre les premières lueurs est une étape que nous attendions tous avec impatience, " dit Henrik von der Lippe, Directeur de la division Ingénierie au Berkeley Lab. "Cette étape montre comment tout le travail acharné et la collaboration ont abouti à une installation scientifique qui permettra de nouvelles sciences."

Il ajouta, « La contribution de Berkeley Lab à la conception et à la fabrication d'onduleurs à rayons X durs s'est appuyée sur notre expérience de la fourniture d'onduleurs aux installations scientifiques et sur notre force de longue date dans la conception mécanique. attentes."

Thomas Schenkel, directeur par intérim de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée de Berkeley Lab, mentionné, « C'est un excellent exemple de la façon dont nos bases scientifiques et notre expertise en ingénierie se rejoignent. » Il ajouta, "Le Lab a des décennies d'expérience dans la conception et la construction de certains des onduleurs les plus avancés de leur temps, et nous sommes impatients de continuer à contribuer au complexe de recherche du DOE de cette manière. »

L'impact scientifique des nouveaux onduleurs sera important. Une avancée majeure est que la séparation entre les aimants peut être modifiée à la demande, permettant d'ajuster la longueur d'onde des rayons X émis pour correspondre aux besoins des expériences. Les chercheurs peuvent l'utiliser pour déterminer le comportement d'atomes sélectionnés dans une molécule, ce qui, entre autres, améliorera notre capacité à suivre le flux et le stockage de l'énergie pour les applications avancées d'énergie solaire.

L'onduleur présenté aujourd'hui sera capable de doubler l'énergie maximale des rayons X du LCLS. Cela fournira des informations beaucoup plus précises sur la façon dont les matériaux réagissent aux contraintes extrêmes au niveau atomique et sur l'émergence de nouveaux phénomènes quantiques.

La « nouille » :Une unique, conception d'onduleur difficile

L'onduleur à rayons X dur terminé aura 32 segments. Chaque segment pèse 2,3 tonnes et mesure environ 13 pieds de long. La conception des segments durs de l'onduleur à rayons X est unique car elle fait essentiellement pivoter la conception traditionnelle de l'onduleur à 90 degrés, qui a également posé des défis d'ingénierie uniques.

Pour s'adapter à l'intérieur du tunnel de l'onduleur au SLAC, les segments de l'onduleur devaient être beaucoup plus minces que d'habitude - les ingénieurs de Berkeley Lab ont surnommé la conception la "nouille". Cette conception a également fait le support en acier, ou fort, contenant les nombreux aimants de chaque segment d'onduleur plus sujets à une flexion indésirable en raison de la force magnétique d'environ 4 tonnes qu'ils doivent supporter.

L'unique, la conception tournée des onduleurs nécessitait un réseau d'environ 150 ressorts par segment d'onduleur qui peut être ajusté avec précision pour maintenir les centaines d'aimants alignés.

Mais même de petits changements de température, et des usinages simples comme le boulonnage sur de nouveaux composants, modifié les structures de support du dos au-delà de ce qui était autorisé - les appareils devaient rester droits à moins de 10 millionièmes de mètre.

La conception initiale des segments a donc dû être complètement repensée, dit Matthaeus Leitner, Ingénieur en chef de Berkeley Lab pour les onduleurs LCLS-II.

"Pendant longtemps, nous n'avions pas vraiment de solution, " Leitner a déclaré. "Nous avons essentiellement dû changer chaque composant individuel de l'appareil. Il s'agit d'un effort d'équipe d'ingénieurs et de techniciens hautement qualifiés."

John Corlett, qui a été chef d'équipe senior de Berkeley Lab sur le projet LCLS-II et est maintenant responsable de la gestion de projet de laboratoire, mentionné, "C'était un problème d'ingénierie mécanique très difficile. C'était un effort de collaboration entre le SLAC, Berkeley, et les laboratoires d'Argonne travaillent ensemble. Nous avons organisé plusieurs ateliers, et nous avons travaillé ensemble pour résoudre les problèmes. C'est fantastique que nous ayons réussi à le faire dans le très court laps de temps requis par le projet."

Leitner a ajouté, « L'un des points forts du Berkeley Lab est l'éventail de ressources d'ingénierie. Si un problème survient, nous pouvons immédiatement mettre beaucoup de ressources dans la résolution d'un problème. Nous pourrions résoudre ce problème apparemment insurmontable en quelques mois. C'était incroyable. Cela n'a été possible que parce que nous avons un outillage à grande échelle, appareils de mesure de précision, et un excellent équipement de soutien technique."

Les ingénieurs de Berkeley Lab ont également déployé des efforts considérables pour travailler avec et former les trois fournisseurs qui ont fabriqué et assemblé les onduleurs. Berkeley Lab a utilisé ses capacités de conception et de mesure magnétiques, et développé des méthodes précises pour assembler et régler efficacement les onduleurs.

La conception à rotation unique des onduleurs à rayons X durs améliorera en fin de compte les performances du laser à rayons X en fournissant plus de rayons X aux échantillons dans les expériences, Leitner a noté. "Cela vous donne une augmentation significative de la puissance de sortie disponible des rayons X durs, " il a dit.

Leitner et Corlett ont déclaré que la conception, dite polarisation verticale, sera probablement adopté par d'autres lasers à électrons libres et sources lumineuses à rayons X maintenant que les défis de conception de la capacité ont été résolus.

"Cela n'a jamais été fait auparavant, " a déclaré Corlett.

Prochaines étapes

Au-delà des onduleurs se trouve l'enceinte frontale, ou FEE, qui contient un réseau d'optiques, Diagnostique, et des dispositifs de réglage qui préparent les rayons X pour des expériences spécifiques. Il s'agit notamment du plus plat du monde, miroirs les plus lisses qui mesurent un mètre de long mais dont la hauteur ne varie que de la largeur d'un atome sur leur surface. Au cours des prochaines semaines, ces optiques seront testées en vue de plus de 80 expériences qui seront menées par des chercheurs du monde entier au cours des six prochains mois.

"Aujourd'hui marque le début de l'ère LCLS-II pour la science des rayons X, " a déclaré Mike Dunne, Directeur du LCLS. "Notre tâche immédiate sera d'utiliser ce nouvel onduleur pour enquêter sur le fonctionnement interne du virus SARS-CoV-2. Ensuite, les deux prochaines années verront une transformation incroyable de notre installation. La prochaine étape sera l'onduleur à rayons X mous. , optimisé pour étudier comment l'énergie circule entre les atomes et les molécules, et donc le fonctionnement interne des nouvelles technologies énergétiques. Au-delà, il y aura le nouvel accélérateur supraconducteur qui augmentera notre puissance de rayons X de plusieurs milliers de fois."

Il ajouta, "L'avenir est prometteur, comme nous aimons le dire dans le monde des lasers à rayons X."