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 de nombreuses analyses différentes, par exemple dans les domaines de la physique, de la science des matériaux, de la biologie, de la chimie, des sciences environnementales ou encore des découvertes archéologiques.

Recherche à la SLS

A ses quelque 20 stations de recherche, l’installation dispose d’instruments de classe mondiale. Quelques-unes des lignes de faisceaux permet de déchiffrer 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 des 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 les changements 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 la mise à niveau SLS 2.0: un nombre beaucoup plus important d’aimants est intégré, chacun d’eux modifiant la trajectoire précédente des électrons, avec ses angles relativement grands, en une trajectoire avec de nombreux petits angles.

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 était 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 aimants 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 qu’avait le tube de l’anneau de stockage était trop grand pour que ce soit possible. Il fallait 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 est 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 la mise à niveau

Toutes ces mesures font que le rayonnement synchrotron qui aboutit aux stations expérimentales de la SLS présente des valeurs environ 40 fois supérieures à celles de l’ancien rayonnement synchrotron. Cela signifie que le diamètre du faisceau rétrécit: 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.

Le 30 septembre 2023, la SLS a été mise à l’arrêt pour les grands travaux de transformation de la mise à niveau SLS 2.0. C’est ainsi qu’a débuté à la grande installation de recherche le «Dark Time» qui doit durer 15 mois.