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Posté par Adrien le Vendredi 08/09/2017 à 00:00
European XFEL: un laser à électrons libres nouvelle génération pour l'Europe
Plus puissant et plus rapide, le laser à électrons libres (1) European XFEL est inauguré le 1er septembre 2017, près de Hambourg en Allemagne. En produisant des flashs de rayons X ultra-lumineux (mille milliards de photons par flash), deux cent fois plus nombreux par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) que les meilleurs lasers à électrons libres existants, ce laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) européen nouvelle génération permettra aux scientifiques de cartographier les détails atomiques des virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme...), de déchiffrer la composition moléculaire des cellules, de réaliser des images tridimensionnelles du nanomonde ou encore de filmer des réactions chimiques. Onze pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...) ont participé à sa construction, pour un budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le...) de 1,2 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un milliard un...) d'euros. En France, le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) ont joué un rôle de premier plan dans la conception et la construction de l'accélérateur supraconducteur à électrons, au cœur de cette nouvelle infrastructure de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) internationale.


Visite virtuelle de la salle XFEL au LAL (CNRS/Université Paris-Sud).
© Université Paris-Sud.


Montage des systèmes de pompage en salle blanche à la réception des coupleurs au LAL (CNRS/Université Paris-Sud).
© DESY/ILC, photographer: Heiner Müller-Elsner.

Depuis les années 70, le développement des accélérateurs de particules a permis la production de rayons X notamment grâce au rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.). Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), qui est utilisée pour l'analyse structurelle des matériaux, a été affinée avec la construction d'infrastructures de recherche dédiées, comme par exemple, en France, l'ESRF (Grenoble) et Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) (Saclay). Les lasers à électrons libres permettent maintenant de s'intéresser à de nouveaux phénomènes en produisant une lumière quasiment 100 % cohérente (2), faite de flashs ultra-lumineux (10 (12) photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) par flash) et ultra-courts (de l'ordre d'une femto-seconde (3)). Pour la production de rayons X, European XFEL, basé en Allemagne près de Hambourg, utilise un accélérateur supraconducteur à électrons permettant d'obtenir un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de flashs deux cent fois plus grand par seconde que les meilleurs lasers à électrons libres existants. Il permettra de produire 27 000 flashs ultra-lumineux par seconde avec une cohérence de l'ordre de 100 % de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) produite. Avec sa longueur de 3,4 km, il sera également le plus grand du monde (Le mot monde peut désigner :) dans sa catégorie.

L'accélérateur d'électrons de European XFEL est unique dans le paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi...) des sources de lumière: il est le seul à utiliser la supraconductivité. Sa construction a été prise en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) par un consortium d'instituts européens basés principalement en Allemagne, en Russie, en France, en Italie, en Espagne, en Pologne et en Suisse. En France, au-delà des futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) projets qui seront menés par des chercheurs coordonnés par le CNRS, le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud) a plus particulièrement été chargé du suivi de la production et du conditionnement de tous les coupleurs de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (4), composants essentiels des accélérateurs linéaires de particules. Ce travail a nécessité un transfert de savoir-faire de certaines étapes de la préparation des coupleurs vers les industriels, ainsi qu'une collaboration étroite avec ces derniers pour garantir la qualité requise du produit fini. Une infrastructure adaptée à la production de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) des coupleurs, unique au monde, a été installée au laboratoire permettant d'atteindre une cadence de conditionnement de 8 à 10 coupleurs par semaine. Les coupleurs conditionnés ont été ensuite envoyés à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) du CEA (Paris-Saclay) pour être assemblés dans 103 « cryomodules ». Pour ce travail d'intégration dont il avait la charge, le CEA a accompli un transfert industriel de son savoir-faire vers la société Alsyom, formalisé en juillet 2012, et s'est doté d'une infrastructure dédiée à Saclay, ce qui a permis d'atteindre une cadence d'assemblage d'un cryomodule tous les quatre jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en maintenant les performances techniques exigées. Après 8 ans d'efforts, l'analyse des performances des coupleurs et cryomodules, réalisée par le laboratoire pilote basé en Allemagne (le DESY), confirme un savoir-faire unique au monde des scientifiques français.


Montage du système de distribution d'hélium cryogénique sur un train de cavités de XFEL.
© Dumas/CEA.


Assemblage des cavités accélératrices en salle blanche.
© Dumas/CEA.

European XFEL, dont la première lumière laser a été produite en mai 2017, est aujourd'hui capable de produire une lumière avec une intensité suffisante pour caractériser, avec une seule impulsion, des structures à l'échelle nanométrique, voire atomique. La durée de ces impulsions, de l'ordre de la femto-seconde, ainsi que la cohérence de la lumière produite permettront de suivre en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel des processus fondamentaux comme la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des structures biologiques, le fonctionnement de nano-objets et de nombreuses réactions chimiques. Sa brillance (5) exceptionnelle permettra par ailleurs de préparer et étudier des états excités de la matière comme on les trouve, par exemple, à l'intérieur des planètes.

En savoir plus:

Sur XFEL et son consortium: https://www.xfel.eu/
Sur le montage des coupleurs de puissances: http://irfu.cea.fr/Phocea/Video/index.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant également fonctionner comme...)?id=296

Notes:

(1) Un laser à électrons libres (en anglais: Free Electron Laser ou FEL) utilise des électrons qui ne sont pas liés à un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) pour créer des photons. La lumière produite est à la fois cohérente, intense et peut avoir une longueur d'onde située dans une large gamme: micro-ondes, rayons X, ultra-violet, domaine visible ou infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.). Ici, le nouveau laser européen permettra de produire des rayons X.
(2) Plus une lumière est cohérente, mieux elle nous informe sur l'organisation (Une organisation est) de la matière, d'où l'importance d'avoir une lumière la plus cohérente possible.
(3) 1 femto-seconde = 1 milliardième de milliardième de seconde = 10-15 seconde.
(4) 850 coupleurs de puissance au total, 700 produits par le consortium européen Thalès-RI et 150 par l'entreprise américaine CPI.
(5) Nombre de photons émis par unité de temps, de bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum....), de taille et de divergence.


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Source: CNRS