Pour fournir des faisceaux de rayons X à la fois très brillants et très concentrés, une équipe d'Argonne a dû créer un nouveau système de miroirs, lentilles et équipements pour la source de photons avancée mise à niveau.

Dans le film "Aladin, " Robin Williams a exprimé un énorme génie bleu qui vivait à l'intérieur d'une minuscule lampe magique. Le personnage a décrit sa situation de cette façon :" Pouvoir cosmique phénoménal ! Un tout petit espace de vie !"

Dans un sens, c'est le défi de l'équipe qui conçoit le système optique pour la mise à niveau de 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. Lorsque l'installation revient en ligne, actuellement prévu pour 2024, l'APS amélioré fournira des faisceaux de rayons X jusqu'à 500 fois plus brillants que ceux générés dans l'installation actuelle. C'est le travail de l'équipe d'optique de trouver comment focaliser ces faisceaux intenses jusqu'à des tailles incroyablement petites.

En bref, ces faisceaux d'une luminosité phénoménale doivent être réduits à des tailles de spots minuscules, souvent plus petit qu'un seul micron, ce qui signifie plus petit que les bactéries ou les cellules sanguines. Les scientifiques utiliseront ces faisceaux extrêmement lumineux pour découvrir les propriétés de nouveaux matériaux pour de nouveaux appareils, par exemple, ou pour aider à développer la prochaine génération de médicaments qui amélioreront notre vie quotidienne.

Les sources lumineuses telles que l'APS utilisent une combinaison de miroirs, dispositifs complexes appelés monochromateurs, et des lentilles pour manipuler et focaliser les faisceaux de rayons X de diverses manières. Ces composants sont tous installés dans des stations d'extrémité d'expérience appelées lignes de lumière situées autour de l'APS. Des scientifiques du monde entier utilisent ces rayons X pour des découvertes scientifiques. La mise à niveau de cette machine nécessitera une nouvelle technologie et des composants optiques nouvellement conçus qui sont plus précis que ceux utilisés dans l'APS actuel.

« Toutes les lignes de lumière, dont neuf nouvellement construites et 15 avec des améliorations significatives, seront à la pointe de la technologie, et conçu pour faire quelque chose que nous ne pouvions pas faire avant, " a déclaré Lahsen Assoufid, chef du Groupe Optique de la Division Science Rayon X (XSD) d'Argonne. "Nous concevons de toutes nouvelles optiques pour les neuf nouvelles lignes de lumière. Il n'y a aucune optique existante que nous puissions réutiliser pour elles."

Suite à la mise à niveau, l'APS générera une source de rayons X d'environ 10 microns verticalement et 30 microns horizontalement, beaucoup plus petit que celui que l'établissement livre actuellement. Assoufid et son équipe sont chargés de concevoir un système qui permettra aux scientifiques de focaliser ce faisceau très lumineux jusqu'à des tailles incroyablement petites. Le système doit le faire tout en préservant également la cohérence des rayons X. La cohérence est la qualité de la lumière qui lui permet de véhiculer des informations lorsqu'elle rebondit sur des surfaces. Lorsque ces faisceaux de rayons X améliorés diffractent un échantillon, ils fourniront plus d'informations sur cet échantillon aux détecteurs, résultant en une image plus détaillée.

"Nous voulons nous assurer que le faisceau cohérent est préservé, " Assoufid a déclaré. "Je pense que c'est le plus grand défi. Nous voulons que les miroirs préservent la qualité du faisceau dans l'optique de focalisation. Nous voulons toute cette lumière cohérente dans une petite taille de spot, pour accélérer le temps de mesure."

Xianbo Shi est un physicien avec XSD, et il a conçu plusieurs de ces nouveaux systèmes avec l'aide du personnel de chaque ligne de lumière avec laquelle il travaille. Au total, il a dit, la mise à niveau APS va nécessiter plus de 1, 700 lentilles et près de 60 miroirs hautement polis. Chacun des systèmes optiques a dû être spécialement conçu pour des détails précis. Si exigeant, En réalité, que la technologie n'existait pas pour les concevoir efficacement - l'équipe optique APS Upgrade a dû développer son propre logiciel, améliorer l'état de l'art, avant de pouvoir avancer.

« A chaque pas, nous utilisons le meilleur logiciel et développons dessus, " a déclaré Shi. "Nous devons concevoir le logiciel afin que nous puissions concevoir l'optique."

Les miroirs qui ont été conçus, Shi a dit, sont l'état de l'art le plus exigeant au monde. Il n'y a que quelques entreprises dans le monde qui peuvent les fabriquer, il a dit, car afin de préserver les qualités du faisceau, les miroirs doivent être presque parfaitement lisses. Cela va au-delà du polissage chimique mécanique traditionnel et consiste à éliminer un par un les atomes de leurs surfaces.

En réalité, Assoufid a dit, il n'y a qu'une seule entreprise au monde qui peut offrir la douceur dont certains de ces miroirs ont besoin. Environ 20 des miroirs nécessaires à la mise à niveau proviendront de cette société, il a dit. Il faut environ un an pour faire des miroirs comme ceux-ci, et s'ils ne passent pas l'inspection, l'entreprise devra recommencer presque à zéro.

Les lentilles n'ont pas besoin d'être aussi lisses, Shi a dit, mais leur conception et leur fabrication sont encore extrêmement détaillées. Les lentilles sont concaves, ce qui signifie qu'ils se courbent vers l'intérieur. Cette courbe doit être créée exactement selon les spécifications de conception afin qu'elles concentrent le faisceau comme prévu.

L'équipe d'optique a également développé une technologie utilisant l'intelligence artificielle pour permettre à certaines lignes de lumière de changer la taille du faisceau rapidement et avec précision, sans que les scientifiques fassent des ajustements. ATOMIQUE, l'une des nouvelles lignes de lumière, est conçu pour sonder la structure, propriétés chimiques et physiques des échantillons avec une précision sans précédent. Parfois, cela nécessitera que les scientifiques concentrent la taille du faisceau à la volée.

"L'optique du miroir Zoom signifie qu'il a besoin de deux paires de miroirs de focalisation, de sorte que la taille du faisceau peut changer au niveau de l'échantillon, " expliqua Assoufid. " Les scientifiques de la ligne de lumière n'ont pas le temps d'aligner les miroirs, il faut donc le faire automatiquement. S'ils veulent focaliser le faisceau en un seul point, puis changer la taille, ils peuvent imager leur échantillon à différentes échelles."

Les miroirs et les lentilles nécessaires à la mise à niveau APS sont si précis que certains d'entre eux ne peuvent être testés que dans un faisceau de rayons X réel. Lorsqu'ils arrivent au laboratoire en provenance des entreprises qui les fabriquent, l'équipe les vérifiera au Secteur 1 de l'APS et effectuera la métrologie optique traditionnelle. Chaque miroir prend jusqu'à une semaine ou plus pour être testé, et l'équipe a dû développer de nouveaux outils et technologies pour ce faire. Ils ont également créé de nouveaux systèmes de diagnostic pour chacune des lignes de lumière, mesurer ce qui auparavant ne pouvait pas être mesuré.

"La qualité du faisceau est importante, nous avons donc besoin d'un moyen de le mesurer, " a déclaré Shi. " Nous avons donc consacré des efforts au développement d'une nouvelle technologie de test de front d'onde. Il améliore l'état de l'art. Nous pouvons surveiller la ligne de lumière lors du changement d'optique et recueillir des informations pour contrôler ces optiques."

Les nouveaux miroirs, des lentilles et d'autres équipements seront installés au cours de la période d'un an pendant laquelle l'APS sera arrêté pour la mise à niveau de la construction. La période d'installation devrait débuter en avril 2023. Lorsque le nouveau système optique sera terminé, Assoufid a dit, l'effet sera comme donner à l'APS une nouvelle paire de lunettes. Ce qui était autrefois flou et difficile à voir va maintenant devenir net.

"Je serai heureux quand nous verrons la première lumière, " a-t-il dit. " Nous avons fait beaucoup de progrès, mais il y a beaucoup de travail à faire. Je suis surexcité, mais je serai pleinement satisfait quand tout sera fini."