Avec une lumière assez puissante, vous pouvez voir des choses que les gens pensaient autrefois impossibles. Les installations de source lumineuse à grande échelle génèrent cette lumière puissante, et les scientifiques l'utilisent pour créer des matériaux plus durables, construire des batteries et des ordinateurs plus efficaces, et en savoir plus sur le monde naturel.

Lorsqu'il s'agit de construire ces immenses installations, l'espace c'est de l'argent. Si vous pouvez obtenir des faisceaux de lumière à plus haute énergie à partir d'appareils plus petits, vous pouvez économiser des millions sur les coûts de construction. Ajoutez à cela la possibilité d'améliorer considérablement les capacités des sources lumineuses existantes, et vous avez la motivation derrière un projet qui a réuni des scientifiques de trois laboratoires nationaux du département américain de l'Énergie.

Cette équipe vient de franchir une étape importante en chantier depuis plus de 15 ans :elle a conçu, construit et entièrement testé un nouveau prototype d'aimant de pointe d'un demi-mètre de long qui répond aux exigences d'utilisation dans les installations de sources lumineuses existantes et futures.

L'étape suivante, selon Efim Gluskin, membre distingué du Laboratoire national d'Argonne du DOE, est de faire évoluer ce prototype, construisez-en un de plus d'un mètre de long, et installez-le à la source avancée de photons, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. Mais alors que ces aimants seront compatibles avec des sources lumineuses comme l'APS, le vrai investissement ici, il a dit, est dans la prochaine génération d'installations qui n'ont pas encore été construites.

« La véritable échelle de cette technologie concerne les futures installations laser à électrons libres, " dit Gluskin. " Si vous réduisez la taille de l'appareil, vous réduisez la taille du tunnel, et si vous pouvez le faire, vous pouvez économiser des dizaines de millions de dollars. Cela fait une énorme différence."

Cet objectif à long terme a amené Gluskin et ses collègues d'Argonne à collaborer avec des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory et du Fermi National Accelerator Laboratory, les deux laboratoires du DOE. Chaque laboratoire étudie la technologie supraconductrice depuis des décennies et a concentré ses efforts de recherche et développement ces dernières années sur un alliage combinant le niobium et l'étain.

Ce matériau reste dans un état supraconducteur, c'est-à-dire qu'il n'offre aucune résistance au courant qui le traverse, même s'il génère des champs magnétiques élevés, ce qui le rend parfait pour construire ce qu'on appelle des aimants onduleurs. Les sources lumineuses comme l'APS génèrent des faisceaux de photons (particules de lumière) en siphonnant l'énergie dégagée par les électrons lorsqu'ils circulent à l'intérieur d'un anneau de stockage. Les aimants onduleurs sont les dispositifs qui convertissent cette énergie en lumière, et plus un champ magnétique que vous pouvez générer avec eux est élevé, plus vous pouvez créer de photons à partir du même appareil de taille.

Il y a maintenant quelques aimants supraconducteurs onduleurs installés à l'APS, mais ils sont en alliage niobium-titane, qui pendant des décennies a été la norme. Selon Soren Prestemon, scientifique senior au Berkeley Lab, les supraconducteurs niobium-titane sont bons pour les champs magnétiques inférieurs - ils cessent d'être supraconducteurs à environ 10 teslas. (C'est environ 8, 000 fois plus fort que votre aimant de réfrigérateur typique.)

"L'étain Niobium-3 est un matériau plus compliqué, " Prestemon dit, "mais il est capable de transporter du courant à un champ plus élevé. Il est supraconducteur jusqu'à 23 tesla, et à des champs inférieurs, il peut transporter trois fois plus de courant que le niobium-titane. Ces aimants sont maintenus froids à 4,2 Kelvin, qui est d'environ moins 450 degrés Fahrenheit, pour les garder supraconducteurs."

Prestemon a été à l'avant-garde du programme de recherche sur l'étain niobium-3 de Berkeley, qui a commencé dans les années 1980. La nouvelle conception, développé à Argonne, construit sur les travaux antérieurs de Prestemon et de ses collègues.

"Il s'agit du premier onduleur en étain niobium-3 qui a à la fois répondu aux spécifications actuelles de conception et a été entièrement testé en termes de qualité de champ magnétique pour le transport de faisceau, " il a dit.

Le Fermilab a commencé à travailler avec ce matériau dans les années 90, selon Sasha Zlobin, qui y a lancé et dirigé le programme d'aimants en étain niobium-3. Le programme d'étain niobium-3 du Fermilab s'est concentré sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs de particules, comme le Large Hadron Collider au CERN en Suisse et le futur accélérateur linéaire PIP-II, à construire sur le site du Fermilab.

« Nous avons connu le succès avec nos aimants en étain niobium-3 à haut champ, " a déclaré Zlobin. "Nous pouvons appliquer ces connaissances aux onduleurs supraconducteurs basés sur ce supraconducteur."

Une partie du processus, selon l'équipe, a appris comment éviter les trempes prématurées dans les aimants à mesure qu'ils approchent du niveau de champ magnétique souhaité. Lorsque les aimants perdent leur capacité à conduire le courant sans résistance, le jeu résultant s'appelle une trempe, et il élimine le champ magnétique et peut endommager l'aimant lui-même.

L'équipe a signalé dans les Actes de la conférence sur la supraconductivité appliquée 2020 que leur nouvel appareil accepte près du double de la quantité de courant avec un champ magnétique plus élevé que les onduleurs supraconducteurs niobium-titane actuellement en place à l'APS.

Le projet s'est appuyé sur l'expérience d'Argonne dans la construction et l'exploitation d'onduleurs supraconducteurs et sur les connaissances de Berkeley et Fermilab sur l'étain niobium-3. Le Fermilab a aidé à guider le processus, conseiller sur la sélection de fils supraconducteurs et partager les développements récents de leur technologie. Berkeley a conçu un système de pointe qui utilise des techniques informatiques avancées pour détecter les trempes et protéger l'aimant.

A Argonne, le prototype a été conçu, fabriqué, assemblé et testé par un groupe d'ingénieurs et de techniciens sous la direction du chef de projet Ibrahim Kesgin, avec des contributions dans la conception, construction et essais par des membres de l'équipe d'onduleurs supraconducteurs APS dirigée par Yury Ivanyushenkov.

L'équipe de recherche prévoit d'installer leur prototype grandeur nature, qui devrait être terminé l'année prochaine, au secteur 1 de l'APS, qui utilise des faisceaux de photons à plus haute énergie pour scruter des échantillons de matériau plus épais. Ce sera un terrain d'essai pour l'appareil, montrant qu'il peut fonctionner selon les spécifications de conception dans une source lumineuse de travail. Mais l'oeil, Gluskin dit, est sur le transfert des deux technologies, niobium titane et niobium-3 étain, à des partenaires industriels et fabriquer ces dispositifs pour les futures installations de sources lumineuses à haute énergie.

"La clé a été un travail constant et persistant, soutenu par les laboratoires et les fonds de recherche et développement du DOE, " a déclaré Gluskin. "Ce fut un progrès progressif, pas à pas, pour en arriver là."