Plus les rayons X sont intenses, plus l’infiniment petit se dévoile aux yeux des scientifiques. Pour conserver sa place parmi les meilleures installations au monde, la SLS du PSI a besoin d’une mise à jour. Dirigée par Mike Seidel et Hans-Heinrich Braun, l’équipe de projet a su trouver, avec les développements PSI, une solution de réalisation rationnelle sur le plan économique et énergétique.

Le prof. Mike Seidel (g.) et Hans-Heinrich Braun devant le SLS

Les deux scientifiques ont plus d’un point commun. Tous deux sont physiciens, spécialistes de l’accélération de particules. Mike Seidel continue d’ailleurs d’enseigner à 40% cette matière à l’EPFL. De son côté, Hans-Heinrich Braun a déjà travaillé comme chef de projet sur le lancement du Laser suisse à électrons libres dans le domaine des rayons X Swiss- FEL, entré en service en 2016 au PSI, alors à l’avantgarde scientifique. Sa mission actuelle présente des similitudes puisqu’il s’agit de mettre à jour la Source de Lumière Synchrotron Suisse (SLS), inaugurée au PSI en 2001. Depuis vingt ans, cette grande installation de recherche et son puissant accélérateur d’électrons produisent une lumière très brillante, de type rayons X, qui permet au monde scientifique et économique de réaliser des expériences et des études variées, dans les domaines de la physique, des sciences des matériaux, de la biologie, de la chimie ou des sciences de l’environnement.

Aujourd’hui, les scientifiques aimeraient disposer de rayons X plus intenses pour accéder à des détails qui restent flous avec l’accélérateur actuel ou qui sont inaccessibles dans des délais raisonnables. «Une expérience qui prenait 40 minutes jusqu’à présent pourra se réaliser en 60 secondes», annonce H.-H. Braun. Une lumière plus brillante améliorera la résolution des images et rendra visibles des petites structures jusque-là mystérieuses. Mais ces progrès entraîneront aussi une forte hausse des données à enregistrer et à traiter à chaque expérience.

«Grâce aux travaux de recherche du PSI, nous comprenons mieux la dynamique des faisceaux d’électrons, une avancée utile au projet SLS 2.0.» Le prof. Mike Seidel, directeur du domaine spécialisée des Grandes installations de recherche au PSI

Le projet SLS 2.0 a amené M. Seidel et H.-H. Braun à travailler ensemble. Le premier est directeur du domaine spécialisée des Grandes installations de recherche et donc responsable du fonctionnement de cette concentration unique au monde de grandes installations de recherche mobilisant des accélérateurs au PSI. Le deuxième est chef de projet SLS 2.0 et apporte son expérience du projet SwissFEL à la mise à jour complexe de la SLS. L’équation à résoudre était la suivante: comment faire monter en puissance cette grande installation et la brillance de sa lumière sans toucher au bâtiment existant, avec ses murs et son plafond en bois et en béton?

Dans l’actuelle SLS, les électrons accélérés tournent à des vitesses vertigineuses. Dans le vide de l’anneau de stockage des électrons, ces minuscules particules élémentaires chargées négativement filent à 99,999998% de la vitesse de la lumière. Ce sont des aimants disposés dans un tube métallique qui les maintiennent sur la trajectoire curviligne de consigne. La déviation du faisceau d’électrons produit alors la lumière synchrotron qui, de là, est dirigée vers la vingtaine de stations d’expérimentation de l’installation. Particules élémentaires légères, les électrons génèrent un rayonnement X intense à ondes courtes aux propriétés intéressantes pour un large spectre d’applications de recherche.

La mise à jour de l’installation avait notamment pour défi d’intégrer durablement à la SLS 2.0 une autre propriété physique. Rendre les changements de direction des électrons moins abrupts dans la nouvelle installation permettrait de concentrer davantage les paquets d’électrons en circulation et donc d’obtenir des rayons lumineux moins diffus, plus intenses. Pour les physiciens, la solution résidait dans le nombre et la taille des aimants à placer dans l’anneau de stockage de la nouvelle SLS 2.0. En installant davantage de petits aimants, de puissances variées, on pourrait augmenter et adoucir les changements de direction du faisceau d’électrons. Une tâche herculéenne! La multiplication des aimants et autres composants dans l’anneau va s’accompagner d’une restriction des tolérances applicables au faisceau et à divers paramètres. Au terme de multiples essais et simulations informatiques détaillées, les experts de la dynamique des faisceaux du PSI ont trouvé comment disposer les aimants. «C’est le résultat de notre meilleure compréhension de la dynamique de faisceau de ces anneaux de stockage», explique M. Seidel. A laquelle se sont ajoutées les compétences variées des quelque 400 personnes qui travaillent pour les grandes installations de recherche – de l’interprétation mécanique au calcul précis des champs magnétiques et à la prédiction des propriétés du faisceau d’électrons, en passant par la production d’ultravide. «A un tel niveau de complexité, une erreur suffit à plonger l’installation dans le noir», confirme M. Seidel.

Dans l’anneau de stockage de la nouvelle SLS 2.0, l’agencement des aimants améliorera fortement la brillance de la lumière synchrotron générée.

Les travaux sur la SLS 2.0 vont pouvoir commencer. En décembre 2020, la Confédération a débloqué un budget de 99 mio CHF. Le PSI financera 17 mio. CHF supplémentaires. Le calendrier prévoit l’arrêt de l’installation précédente d’octobre 2023 à fin 2024, avec la mise en service de la SLS 2.0.