SwissFEL – le nouveau grand instrument de l’Institut Paul Scherrer

Au PSI, la prochain grand instrument doit être mis en service en 2016 : le laser à rayons X SwissFEL. Il émettra de très courtes impulsions de rayons X, ayant les propriétés du laser, qui permettront aux chercheurs de suivre des processus extrêmement rapides tels que l’apparition de nouvelles molécules lors de réactions chimiques, de déterminer la structure détaillée de protéines vitales ou de comprendre la composition exacte de matériaux. Les chercheurs pourront ainsi obtenir des informations auxquelles les méthodes actuelles ne permettent pas d’accéder. Ces découvertes enrichiront notre connaissance de la nature et déboucheront sur des applications pratiques telles que le développement de nouveaux médicaments, de processus plus efficaces dans l’industrie chimique, de nouveaux matériaux en électronique ou de méthodes alternatives pour la production d’énergie.

Le SwissFEL sera également accessible à des chercheurs extérieurs et l’on tiendra compte des besoins des hautes écoles et de l’industrie suisses dès la conception. À ce jour, seules deux installations comparables sont en service dans le monde, deux autres sont en cours de construction.

Laser à rayons X

La longueur totale de l’installation est de l’ordre de 700 mètres. Elle est composée de quatre parties : l’injecteur avec le canon à électrons, l’accélérateur linéaire, l’onduleur magnétique et le hall d’expérimentation.

Le SwissFEL est un laser à rayons X à électrons libres (FEL est l’acronyme de « Free Electron Laser »). Il générera des impulsions extrêmement courtes et intenses de rayons X avec, en plus, les qualités propres au laser – les impulsions dureront de 20 à 60 femtosecondes (1 femtoseconde = 0,000 000 000 000 001 secondes). Ces propriétés permettront de recueillir de nouvelles connaissances sur la structure interne des matériaux qui seront radiographiés par des impulsions de rayons X.

La production de rayons X commence avec un canon à électrons dans lequel une impulsion lumineuse libère des électrons à partir d’une plaque métallique. Ces électrons traverseront ensuite un champ électrique dans l’accélérateur linéaire pour être amenés à la vitesse requise. La vitesse des électrons est alors aussi grande que s’ils avaient été soumis à une tension de 6 milliards de volt. Leur vitesse est maintenant suffisante pour les envoyer dans un onduleur magnétique – c’est ainsi que les experts appellent la succession périodique d’aimants qui engendre une trajectoire sinueuse. Les électrons génèrent alors du rayonnement X qui va se renforcer par un effet d’avalanche ce qui va donner naissance aux rayons X du SwissFEL dont l’intensité est unique. L’onduleur magnétique du SwissFEL aura une longueur de 60 mètres et sera composé de 26 400 aimants. La très grande précision requise lors de la fabrication et l’assemblage de l’onduleur magnétique est en soi, déjà une performance exceptionnelle dans le domaine de l’ingénierie.

Le faisceau de rayons X est dirigé vers le site d’expérimentation et il est maintenant à la disposition des chercheurs pour leurs expériences.

De nouvelles découvertes pour les sciences, la technique et la médecine

Au SwissFEL, on pourra par exemple observer étape par étape comment, dans une réaction chimique, les plus petits composants d’une substance se dissocient et s’associent pour former une nouvelle substance. Ces processus sont si rapides qu’ils ne pouvaient jusqu’à présent pas être directement observés. Seules les impulsions extrêmement courtes du SwissFEL permettront de photographier les différentes étapes intermédiaires avec un « temps d’exposition ultra-court ». La compréhension précise de ces processus devrait permettre un déroulement plus efficace et, par conséquent, plus économique, de processus utilisés au sein de l’industrie chimique.


Au SwissFEL, on pourra également observer en détail la composition de molécules du vivant. De telles molécules sont généralement composées de dizaines de milliers d’atomes et il est déterminant pour leur fonctionnement que les atomes soient correctement agencés. Actuellement, les chercheurs ne peuvent déterminer les structures que lorsque de nombreuses copies d’une telle molécule peuvent être agencées dans une structure cristalline régulière. Les impulsions intenses de rayons X générés par le SwissFEL permettront également de comprendre les structures d’autres molécules. Ces résultats pourraient être à l’origine de nouveaux médicaments en montrant, par exemple, comment supprimer des processus vitaux importants dans des bactéries pathogènes.

Un lieu de travail pour les chercheurs issus du milieu des sciences et de l’industrie

À l’instar des autres grandes instruments de l’Institut Paul Scherrer, le SwissFEL sera lui aussi à la disposition des chercheurs des centres de recherche et des universités, ainsi que de l’industrie – de Suisse ou de pays étrangers. Ici aussi, les chercheurs qui publient leurs résultats scientifiques pourront avoir accès gratuitement aux installations de mesures – à condition que leur projet réussisse à convaincre la commission de sélection de sa qualité scientifique. Pour les partenaires industriels, des modèles individuels seront mis en place pour l’utilisation des installations.

Pour l’industrie, le SwissFEL offre déjà des possibilités de coopérations pendant le développement et lors de la construction. Le SwissFEL représente un énorme défi technologique que le PSI veut relever avec l’industrie, ce qui doit donner lieu à un transfert de savoir-faire dans l’industrie, permettant aux entreprises de pouvoir utiliser de nouvelles connaissances pour le développement de produits novateurs.

Opérationnel à Würenlingen dès 2016 – emplacement, calendrier et financement

Le SwissFEL sera construit dans la forêt de Würenlingen, à proximité des bâtiments du PSI, dans le canton d’Argovie. Après d’importantes comparaisons, ce site a été considéré comme le seul pouvant convenir. Les fluctuations de températures et les précipitations y sont particulièrement faibles, ce qui est déterminant pour un fonctionnement réussi de cette installation d’une extrême précision. La proximité par rapport à l’actuel site du PSI permet d’utiliser l’infrastructure existante de l’institut. Après la finalisation de la construction, des parties importantes du bâtiment seront recouvertes de terre et de graviers pour permettre la formation d’un espace de vie naturel propice aux espèce végétales et animales menacées.

En 2016, le SwissFEL sera dans un premier temps mis en service avec une station d’ experimentation. Les travaux de construction des bâtiments doivent être réalisés en 2013 et 2014, les installations techniques seront mises en place en 2015 et 2016. En août 2010, une installation d’essais a été mise en service dans la partie ouest du site du PSI, à proximité des installations existantes SLS et SINQ. Ce banc d’essai est en fait la première partie de l’accélérateur du SwissFEL. On y teste les composants, ainsi que diverses solutions techniques. Dès que le bâtiment définitif sera disponible, l’installation d’essais sera partie intégrante de SwissFEL.

Les coûts du SwissFEL s’élèvent à environ 270 millions de francs et sont en majeure partie pris en charge par la Confédération. Si tout se passe bien, le parlement pourrait statuer sur le financement à l’automne 2012. Le canton d’Argovie est déjà convaincu de la force d’innovation du SwissFEL et participe au financement à hauteur de 30 millions de francs.