Blog

Dec 20, 2023

Les électrons se déplacent désormais dans l'accélérateur supraconducteur qui alimentera le X du SLAC

L’installation est désormais sur le point de libérer un flux sans précédent de rayons X ultra-lumineux. Par David Krause Après plus d'une décennie de travail, les électrons volent désormais à travers un nouveau système supraconducteur.

L’installation est désormais sur le point de libérer un flux sans précédent de rayons X ultra-lumineux.

Par David Krause

Après plus d'une décennie de travail, les électrons volent désormais à travers un nouvel accélérateur supraconducteur du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, se préparant à alimenter le laser à électrons libres à rayons X le plus puissant au monde. Ce projet – nommé Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) – est sur le point de lancer des flashs à rayons X qui ouvriront une nouvelle ère dans la recherche scientifique à ce niveau atomique.

"Voir les électrons traverser le LCLS-II est la preuve que notre idée de créer la source d'une machine à rayons X supraconductrice extrêmement puissante au SLAC va fonctionner", Dan Gonnella, scientifique principal au SLAC et chef de groupe. à la direction des accélérateurs, a déclaré. "Nous avions confiance dans notre travail, mais jusqu'à ce que vous voyiez les premiers électrons passer, vous ressentez les papillons."

Pour envoyer des électrons à travers l'installation, les équipes de quatre laboratoires nationaux (Argonne, Berkeley Lab, Fermilab et Jefferson Lab) et de l'Université Cornell ont travaillé ensemble pendant près de 10 ans pour construire tous les composants de nouvelle génération de l'installation. En 2019, les équipes ont installé un canon à électrons de pointe, tandis que l’année dernière, elles ont allumé une installation de refroidissement à l’hélium qui ramène la température de l’installation à deux kelvins – plus froide que l’espace.

LCLS-II produira des rayons X 10 000 fois plus brillants que ceux de l’installation laser à électrons libres existante du SLAC, LCLS – une mise à niveau historique qui ouvrira des perspectives auparavant inimaginables sur certaines des questions scientifiques les plus urgentes de notre époque. L'installation émettra un million d'éclairs de rayons X par seconde, bien plus que le taux actuel de 120 éclairs par seconde du LCLS. Les sursauts de rayons X plus brillants et plus rapides permettront aux scientifiques de relever des défis tels que comprendre comment adapter les solutions naturelles de récupération de l'énergie solaire pour une nouvelle génération de carburants propres, inventer des méthodes de fabrication durables pour l'industrie et concevoir une nouvelle génération de médicaments. basé sur la capacité de créer des films moléculaires sur la façon dont notre corps réagit à la maladie.

"Nous ne répondons pas seulement à quelques questions avec le nouvel accélérateur supraconducteur, nous laissons les scientifiques répondre à un nombre incroyable de questions", a déclaré Andy Benwell, directeur de l'ingénierie électronique du SLAC.

Le niobium aide les électrons à voler

La température de fonctionnement extrêmement froide du LCLS-II permet à l'installation de fonctionner de manière très efficace et de conduire l'électricité avec une résistance presque nulle. Mais la construction d’un accélérateur ayant une résistance proche de zéro nécessite des matériaux spécifiques, notamment le niobium, un métal des terres rares utilisé dans d’autres types de machines, comme les éoliennes et les moteurs à réaction.

Pour LCLS-II, une chaîne de cavités en niobium brillantes en forme de sablier accélère les électrons à l'intérieur des 37 cryomodules de l'installation. Chaque cryomodule possède huit cavités en niobium, ce qui signifie que le LCLS-II possède près de 300 cavités, soit suffisamment pour s'étendre sur la longueur d'environ trois terrains de football. Les cavités en niobium accélèrent les électrons jusqu'à ce qu'ils volent presque à la vitesse de la lumière vers le hall de l'onduleur, où ils passeront à travers une série d'aimants parfaitement réglés qui les obligeront à parcourir un chemin en zigzag et à émettre de l'énergie sous forme de rayons X. Ces rayons X sont ensuite transmis à une suite d’instruments spécialisés afin que les chercheurs puissent mener des expériences.

Les cavités permettent au LCLS-II de fournir un flux d'impulsions sans précédent qui permettra aux chercheurs de filmer des films détaillés de processus naturels à l'échelle atomique. Ces films auront une résolution bien supérieure à celle des images prises au LCLS – jusqu'à 8 000 fois le nombre d'images par seconde que celles de l'accélérateur existant.

"Le suivi du mouvement des atomes et des molécules dans des films en temps réel ouvrira une nouvelle frontière pour la science des rayons X et sera révolutionnaire pour les expériences menées dans le monde entier", a déclaré Gonnella.