01 septembre 2017
1 septembre 2017 : inauguration et début d’exploitation du projet Européen XFEL, laser à électrons libres de nouvelle génération.

© DESY 2015

Après 8 ans de construction et de tests, XFEL, le Laser européen à électrons libres démarre officiellement son exploitation et sera inauguré le 1er septembre à Hambourg (Allemagne). Onze pays ont participé à la construction de cette infrastructure pour un budget total de 1,2 G€. En France l'Irfu et l'IN2P3 ont joué un rôle de premier plan dans la conception et la construction de l’accélérateur linéaire d’électrons nécessaire pour produire une lumière ultra-brillante dans la gamme des rayons X. Cette nouvelle infrastructure de recherche ouvre de nombreuses opportunités pour les scientifiques européens en physique, biologie et sciences des matériaux dans les années à venir. La première lumière laser a été produite en mai 2017. Les utilisateurs de la machine pourront commencer leurs expériences dans les prochaines semaines.

 

Vue des cryomodules assemblés à Saclay, installés dans le tunnel de l'accélérateur XFEL. © DESY 2017

Le laser à électron libre en mode SASE, une révolution scientifique et technologique

Le développement des accélérateurs de particules a permis, depuis les années 70, la production de rayons X grâce au rayonnement synchrotron (lumière émise lors de l’accélération des électrons). Cette lumière était notamment utilisée pour l’analyse structurelle des matériaux. Le prix Nobel de chimie 2009 qui a permis de résoudre la structure des ribosomes a par exemple fait appel à cette technologie, affinée depuis avec la construction des infrastructures de recherche dédiées. En France, on compte deux grandes sources de lumière synchrotron de ce type : l’ESRF (à Grenoble) et Soleil (sur le plateau de Saclay).

En utilisant des techniques du laser à électrons libres, une lumière cohérente, intense et sur un large spectre de longueur d’onde peut être produite. Ce sont les recherches et développements associés au collisionneur linéaire à électrons, qui ont permis en 2003 au laboratoire de DESY (Hambourg) une démonstration expérimentale de l’effet SASE (self-amplified spontaneous emission), conceptualisé dès les années 70. Des lasers à électrons libres basés sur l’effet SASE sont actuellement en opération dans le monde parmi lesquels SACLA au Japon et LCLS aux États-Unis (tous les deux fonctionnant avec des accélérateurs à technologie chaude, c’est à dire non supraconductrice) permettent de produire des photons X durs (5 keV ou plus) correspondant à des longueurs d’onde inférieures à 2 Angstrom.

Le projet Européen XFEL, basé également près de DESY, permettra de produire 27 000 flashes ultra-lumineux par seconde (soit 1012 photons, l’équivalent de l’ensemble des photons produits en une seconde dans une machine classique) avec une cohérence de l’ordre de 100% de la longueur d’onde produite[NO1] . Comparé aux lasers à électrons libres (FEL) existants, XFEL utilise la technologie d’accélération radio-fréquence supraconductrice permettant d’obtenir un nombre de flashes 200 fois plus important, avec une brillance moyenne 10 000 fois à celle délivrée par les meilleures sources conventionnelles. Avec sa taille de 3,4 km, il sera également le FEL le plus grand du monde. Par sa brillance exceptionnelle et son large spectre en longueur d’onde X-durs, XFEL permettra des applications innovantes et très spécifiques comme par exemple filmer en temps réel le déroulement de réactions chimiques et biologiques.

 

Assemblage des cavités accélératrices en salle blanche, à Saclay. © P. Dumas/CEA

La contribution des laboratoires français sur l’accélérateur linéaire de XFEL

L’accélérateur linéaire supraconducteur à électrons de XFEL, long de 1,7 km de long, atteindra une énergie de 17,5 GeV. Sa construction a été prise en charge par un consortium d’instituts européens basés principalement en Allemagne, en Russie, en France, en Italie, en Espagne, en Pologne et en Suisse.

Au CNRS, le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL, CNRS/Université Paris Sud) a été chargé du suivi de production et du conditionnement de la production 850 coupleurs de puissance, produits par Thalès-RI et CPI, composants essentiels des accélérateurs linéaires de particules. Le laboratoire a assuré le suivi industriel et le contrôle qualité des coupleurs fabriqués dans trois sites de production différents (deux en Europe et un aux États -Unis), ainsi que le conditionnement radiofréquence de la totalité des coupleurs dans une infrastructure technologique unique au monde, dédiée à la production de coupleurs à des cadences très élevées (8 à10 coupleurs par semaine). Au total, près de 10 chercheur.e.s et ingénieur.e.s ont été impliqué.e.s.

Au CEA, l’Irfu, dans le cadre de l’accord signé avec DESY en juillet 2010 portant sur l’intégration des trains de cavités et des cryomodules, s’est engagé à assembler 103 cryomodules (3 de pré-série, 100 de série) en trois ans.

Les cryomodules sont des systèmes cryogéniques permettant de refroidir et de maintenir les cavités accélératrices supraconductrices à -271,15°C (2 kelvins), température nécessaire pour leur fonctionnement. Chaque cryomodule héberge huit cavités supraconductrices avec leurs 8 coupleurs associés, un aimant quadrupolaire supraconducteur et un moniteur de position. Pour ce travail d’intégration dont il avait la charge, le CEA a accompli un transfert industriel de son savoir-faire vers la société Alsyom, formalisé en juillet 2012, et s’est doté d’une infrastructure dédiée appelée « Village XFEL » à Saclay, ce qui a permis d’atteindre une cadence d’assemblage d’un cryomodule tous les quatre jours, tout en maintenant les performances techniques exigées.

 

 

Le village XFEL composé de 7 stations de montage pour l'assemblage des cryomodules

© F. Rhodes/CEA

 

Au total, intégrés sur la période de 2008 à 2016, près de 74 chercheur.e.s et ingénieur.e.s du CEA ont travaillé sur ce projet.

Par la suite, les cryomodules ont été livrés au laboratoire hôte DESY pour des tests de qualification avant installation dans le tunnel de la machine. Après 10 ans d’efforts, l’analyse des performances des cryomodules et coupleurs démontre un savoir-faire unique au monde des scientifiques français et un transfert industriel réussi.

Apport de la physique des particules et faisabilité pour un futur accélérateur international

L’accélérateur à électrons utilisé pour XFEL est issu de la recherche et développement pour un futur collisionneur linéaire électron-positron. Ainsi, XFEL est également un prototype pour ce type de machine et démontre la capacité de produire des cavités supraconductrices, ainsi que des coupleurs de puissance et leur assemblage à une échelle industrielle. S’il est approuvé, le projet de collisionneur de particules de nouvelle génération ILC (International linear collider) permettra de compléter et d’enrichir les résultats des recherches effectuées auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern. Pour accélérer les particules, ce collisionneur nécessitera (pour une énergie de 500 GeV) environ 2000 cryomodules, 16 000 cavités supraconductrices et 16 000 coupleurs de puissances identiques à ceux utilisés avec succès pour l’accélérateur de XFEL.

 

Contacts: , Pierre Védrine

Voir aussi: l'assemblage des cryomodules XFEL; Tests réussis à Desy du premier cryomodule XFEL intégré par le CEA; E-XFEL: livraison de 60 cryomodules

Cette actualité a fait l'objet d'un communiqué de presse CEA/CNRS

 

Maj : 01/09/2017 (4158)

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