Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.

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.