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Le laser à rayons X à électrons libres suisse SwissFEL
Vue dans le tunnel du faisceau où la lumière à rayons X est générée. (Photo: Institut Paul Scherrer/Markus Fischer)
La plus récente grande installation de recherche du PSI génère de très courtes impulsions de rayons X, ayant les propriétés du laser. Cela permet 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. Les connaissances acquises élargissent notre compréhension de la nature et débouchent sur des applications pratiques telles que de nouveaux médicaments, des processus plus efficaces dans l'industrie chimique ou de nouveaux matériaux en électronique.
Fonctionnement du SwissFEL
Plan du SwissFEL. Des électrons sont générés dans la source à électrons. Ils sont ensuite amenés à une vitesse élevée dans l'accélérateur linéaire. Dans les onduleurs magnétiques, ces électrons vont suivre une trajectoire sinueuse et émettent alors des rayons X qui seront utilisés pour les expériences.
La longueur totale de l'installation est de 740 mètres. Elle est composée de quatre parties: l'injecteur avec la source à électrons, l'accélérateur linéaire, l'ensemble d'onduleurs et le hall d'expérimentation.
Le SwissFEL est un laser à rayons X à électrons libres (FEL est l'acronyme de
La production de rayons X commence avec une source à électrons dans laquelle 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. Pour ceci, 12 onduleurs avec 1060 aimants chacun sont disposés de manière consecutive sur une longueur de 60 mètres.
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
Les impulsions des rayons X sont si puissantes qu'elles peuvent être utilisées pour créer des films du mouvement des atomes et des molécules. 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 n'ont pu être observés qu'avec difficulté. Cependant, les impulsions extrêmement courtes du SwissFEL permettent de photographier les différentes étapes intermédiaires avec un
Le SwissFEL est un laser à rayons X à électrons libres (FEL est l'acronyme de
Free Electron Laser). Il génère des impulsions extrêmement courtes et intenses de rayons X avec, en plus, les qualités propres au laser – les impulsions durent de 1 à 60 femtosecondes (1 femtoseconde = 0,000 000 000 000 001 secondes). Ces propriétés permettent 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 une source à électrons dans laquelle 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. Pour ceci, 12 onduleurs avec 1060 aimants chacun sont disposés de manière consecutive sur une longueur de 60 mètres.
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
Les impulsions des rayons X sont si puissantes qu'elles peuvent être utilisées pour créer des films du mouvement des atomes et des molécules. 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 n'ont pu être observés qu'avec difficulté. Cependant, les impulsions extrêmement courtes du SwissFEL permettent de photographier les différentes étapes intermédiaires avec un
temps d'exposition ultra-court. La compréhension précise de ces processus peut aider à rendre les processus utilisés au sein de l'industrie chimique plus efficaces et, par conséquent, plus économiques.
De nombreux processus dans la nature ou dans l'industrie se déroulent si rapidement qu'il n'a pas encore été possible de les enregistrer en détail. L'exemple de la synthèse de l'ammoniac, dans laquelle l'azote (bleu) et l'hydrogène (jaune) se combinent pour former de l'ammoniac à l'aide du fer (gris) comme catalyseur, montre comment cela peut être réalisé au SwissFEL. La réaction est déclenchée par une impulsion laser. Celle-ci est ensuite éclairée à différents moments par des impulsions de rayons X SwissFEL. Ainsi l'état actuel de la réaction est affiché. Les différentes étapes de la réaction peuvent ensuite être combinées pour former un film.
Au SwissFEL, on peut 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. Ces résultats pourraient être à l'origine de nouveaux médicaments en montrant, par exemple, comment supprimer des processus vitaux importants dans des bactéries pathogènes.
Site et alentours
Site et alentours
Sur le SwissFEL. L'installation se trouve sous le talus et n'est plus visible depuis le chemin forestier. Sur le talus, une prairie maigre à forte valeur écologique était mise en place. (Photo: Institut Paul Scherrer/Markus Fischer)
Le SwissFEL se situe 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. Des parties importantes du bâtiment étaient recouvertes de terre et de graviers, créant ainsiun espace de vie naturel propice aux espèces végétales et animales menacées.
Informations complémentaires
- Actualitées du SwissFEL
- Site internet du projet SwissFEL (en anglais)
- Le film sur le nouveau grand instrument de recherche SwissFEL
- Travelling dans le tunnel du SwissFEL
