Un laser supraconducteur à rayons X atteint des températures plus froides que l’espace

Ayant récemment bénéficié d’améliorations massives, le monstrueux Linac Coherent Light Source (LCLS) utilise désormais des températures ultra-froides pour accélérer les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière et peut émettre jusqu’à un million de rafales de rayons X par seconde.

Des améliorations substantielles

Le LCLS-II est ce que l’on appelle un laser à électrons libres à rayons X durs (XFEL), un instrument conçu pour imager des objets microscopiques à haute résolution et à des échelles de temps ultrarapides. Sa précédente version avait notamment été utilisée pour imager des virus, recréer les conditions régnant au cœur d’une étoile, générer le son le plus puissant possible ou encore fabriquer le type de « pluie de diamants » s’abattant sur Neptune et Uranus.

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Des améliorations substantielles lui permettent désormais d’émettre des impulsions de rayons X 10 000 fois plus lumineuses qu’auparavant et à une fréquence bien plus élevée (un million d’impulsions par seconde contre 120 jusqu’à présent).

« En quelques heures seulement, le LCLS-II génèrera plus d’impulsions de rayons X que son prédécesseur n’en a généré pendant toute sa durée d’exploitation. Ainsi, des données qui nécessitaient auparavant des mois pourront être produites en quelques minutes », souligne Mike Dunne, directeur du LCLS. « Il fera passer la science des rayons X à un niveau supérieur, ouvrant la voie à une toute nouvelle gamme d’études qui contribueront au développement de technologies révolutionnaires pour relever certains des défis les plus importants auxquels notre société est confrontée. »

Le LCLS-II fonctionne de la même manière que le dispositif de première génération : des électrons sont générés, puis accélérés dans un long tube, avant d’entrer dans un « onduleur » qui les fait osciller jusqu’à ce qu’ils émettent des rayons X dans toutes les directions. Mais il se trouve que chaque étape de ce processus a été améliorée.

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Un système complexe

Le plus grand changement concerne l’accélérateur situé au centre du dispositif. Alors qu’auparavant, les électrons étaient envoyés dans un tube de cuivre à température ambiante, le LCLS-II utilise un ensemble de 37 cryomodules pour refroidir l’équipement jusqu’à -271 °C, légèrement au-dessus du zéro absolu. Pour ce faire, un liquide de refroidissement à base d’hélium est acheminé dans les modules à l’aide de deux puissantes pompes cryogéniques.

À des températures aussi basses, les cavités métalliques en niobium à l’intérieur des modules deviennent supraconductrices, permettant aux électrons de les traverser sans résistance. Les micro-ondes sont utilisées pour alimenter un champ électrique oscillant qui résonne à l’intérieur de ces cavités, se synchronisant sur le rythme des électrons qui passent afin de leur transférer de l’énergie. Cette énergie supplémentaire accélère les électrons, de sorte que lorsqu’ils traversent les 37 cryomodules, ils voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière.

Les électrons passent ensuite dans les onduleurs, qui utilisent de puissants aimants pour les faire osciller et ainsi émettre des rayons X. Ces nouveaux onduleurs peuvent générer des rayons X « durs » et « mous », utilisés à des fins différentes : les rayons X durs permettent d’obtenir une image détaillée des atomes individuels, tandis que les rayons X mous peuvent révéler le flux d’énergie entre les atomes et les molécules.

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Les cryomodules du LCLS-II ayant atteint leur basse température en avril, l’instrument est maintenant prêt à être testé avec les premiers électrons. Celui-ci devrait commencer à produire des rayons X dans le courant de l’année et on s’attend à ce que l’installation apporte des éclairages précieux dans les domaines de la chimie, la biologie, l’informatique et la mécanique quantique.