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SwissFEL – la nouvelle grande installation de recherche de l’Institut Paul Scherrer

En 2016 la prochaine grande installation de recherche sera mise en service: le laser à rayon X SwissFEL. La mise en service se fera par étapes. Les premières experiences pilotes sont prévues pour 2017. Le SwissFEL 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 lui aussi à la disposition des chercheurs extérieurs; dès la conception les besoins des hautes écoles et de l’industrie étaient pris en consideration. À ce jour, seules deux installations comparables sont en service dans le monde, trois autres sont en cours de construction.

Le Laser à rayons X SwissFEL

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’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 1 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 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. 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 installations de recherche 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 a déjà offert des possibilités de coopération avant sa mise en service. Le SwissFEL représente un énorme défi technologique que le PSI relève avec l’industrie, ce qui donne 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.

Site, alentours et coûts

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 pour permettre la formation d’un espace de vie naturel propice aux espèces végétales et animales menacées.

Le coût du SwissFEL s’élève à environ 275 millions de francs et sont en majeure partie pris en charge par la Confédération. Le canton d’Argovie participe au financement à hauteur de 30 millions de francs pris sur les fonds de Swisslos.

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