Le projet d’upgrade SLS 2.0

La Source de Lumière SLS fournit des rayons lumineux bien particuliers pour la recherche. Cette lumière très brillante de type rayons X se prête à des analyses de toute sorte dans les domaines les plus divers: physique, sciences des matériaux, biologie, chimie, sciences de l’environnement et patrimoine. La liste n’est pas exhaustive.

La SLS aujourd’hui

A ses 20 stations de recherche actuelles, l’installation dispose d’instruments de classe mondiale. Quelques-unes de ses lignes de faisceaux permet de décrypter la structure de protéines, d’autres donnent aux chercheurs la possibilité de scruter en 3D l’intérieur des matériaux avec une précision de l’ordre du nanomètre et au-delà. D’autres encore permettent d’étudier le comportement des électrons dans la matière solide et, par ce biais, l’apparition du magnétisme ou de la supraconductivité.

D’où vient la lumière synchrotron

La lumière particulière de la SLS est émise par des électrons qui ont d’abord été accélérés à vitesses extrêmement élevées. Le bâtiment de la SLS abrite ce qu’on appelle un anneau de stockage d’électrons. A l’abri d’épais murs de béton, un tube métallique circulaire est raccordé à de puissantes pompes qui aspirent tout l’air qu’il contient et créent un vide. Des électrons – autrement dit des particules élémentaires minuscules chargées négativement – sont d’abord accélérées à haute vitesse dans un accélérateur de particule avant d’être introduits dans ce tube. Une fois là, les électrons filent à une vitesse équivalente à 99,999998% de la vitesse de la lumière sur une trajectoire circulaire de 288 mètres. Cela signifie que chaque électron fait un million de fois le tour de l’anneau de stockage par seconde.

Les électrons sont maintenus sur cette trajectoire circulaire par des aimants bien particuliers. Ces composants – dont la taille oscille entre celle d’une boîte à chaussures et celle d’un carton de déménagement – enserrent l’anneau de stockage à de nombreux endroits. Ce sont eux qui impriment un changement de direction à la trajectoire des électrons. Les propriétés des aimants déterminent donc à quel point les électrons sont déviés de leur trajectoire. Autrement dit, les électrons ne suivent pas une trajectoire circulaire au sens strict, mais son déviés à de nombreuses reprises et filent le long d’une trajectoire qui est celle d’un polygone avec de nombreux sommets.

Par ailleurs, certains de ces aimants assurent une autre tâche: celle d’acheminer la lumière de type rayons X de l’anneau de stockage vers les stations d’expérimentation. Cette lumière de type rayons X, appelée aussi lumière synchrotron, est émise automatiquement par les électrons chaque fois qu’ils changent de direction, autrement dit à chaque virage.

L’objectif

La qualité de la lumière synchrotron dépend largement des détails de la trajectoire des électrons dans l’anneau de stockage. Concrètement, si des virages serrés génèrent bien un rayonnement utile à la recherche, ce sont les changements de direction nombreux et peu marqués induisant des virages doux qui génèrent un rayonnement de meilleure qualité, plus brillant avant tout. Cela signifie que ce polygone que parcourent les électrons dans l’anneau de stockage doit devenir encore plus polygonal et être doté d’encore davantage de sommets.

Cette transformation est au cœur de l’upgrade SLS 2.0 lors duquel il s’agira d’installer nettement plus d’aimants que ceux qui sont déjà là afin d’augmenter le nombre de changements de direction dans la trajectoire des électrons.

Le défi et la solution

L’une des difficultés majeures du projet SLS 2.0 réside dans la nécessité de disposer encore plus d’aimants le long de l’anneau de stockage, car ce dernier est déjà truffé de quelque 100 000 instruments de contrôle de la température, des flux magnétiques, de la pression du vide et d’autres données.

Pour résoudre ce problème, toute une série de mesures sont nécessaires.

Si l’on veut qu’il y ait assez de place pour davantage d’aimants, il faut que chacun d’eux rapetisse. Mais les aimant plus petits ont moins d’influence sur le faisceau d’électrons tant que la distance entre leur pôle sud et leur pôle nord reste la même. De fait, les nouveaux composants doivent être rapprochés de la trajectoire des électrons pour atteindre quand même l’intensité de champ nécessaire. Or le diamètre actuel du tube de l’anneau de stockage est trop grand pour que ce soit possible. Il faut donc un tube plus étroit. Mais il est nettement plus difficile d’aspirer l’air d’un tube plus étroit et donc de générer un vide de qualité suffisante. Pour résoudre ce problème, la surface interne du nouveau tube sera dotée d’un revêtement spécial, appelé «Non-evaporable getter coating» qui absorbe durablement les atomes de gaz et améliore ainsi la qualité du vide de manière décisive.

La SLS après l’upgrade

Toutes ces mesures feront que le rayonnement synchrotron qui aboutit aux stations expérimentales de la SLS présentera des valeurs 30 à 35 fois supérieures à celles du rayonnement synchrotron actuel. Cela signifie que le diamètre du faisceau va rétrécir: il sera encore plus fin tout en affichant la même intensité et restera parallèle sur une distance encore plus grande, ce qui signifie que même au bout de plusieurs mètres, il ne s’élargira toujours pas. L’analyse d’échantillons très petits, notamment, en profitera largement.