Le Royaume-Uni lance les travaux de conception d'un laser à rayons X à électrons libres

Le Royaume-Uni lance les travaux de conception d'un laser à rayons X à électrons libres

Horodatage: 1 février 2023 10:25

Linacte européen XFEL
Lumière brillante : le linac principal du laser européen à rayons X à électrons libres à Hambourg, Allemagne (avec la permission de : D Nölle/DESY).

Le Royaume-Uni a officiellement lancé le début des travaux de conception d'une installation de laser à rayons X à électrons libres (XFEL) de nouvelle génération. Plus de 150 chercheurs se sont réunis au La Royal Society lundi pour discuter des projets de XFEL basé au Royaume-Uni qui, s'il est autorisé, pourrait être construit dans les décennies à venir. Les chercheurs organiseront désormais une série de réunions à travers le Royaume-Uni pour évaluer l'intérêt pour une installation et discuter du type de science qu'elle peut produire.

Alors que les synchrotrons utilisent les rayons X pour produire des images statiques, ou des instantanés, d'un échantillon à l'étude, les XFEL peuvent étudier les processus dynamiques car ils génèrent des impulsions de faisceaux de rayons X intenses et cohérents des dizaines de milliers de fois par seconde (voir encadré ci-dessous). Chaque impulsion dure moins de 100 fs (10-13 s), ce qui signifie que les chercheurs peuvent, par exemple, créer des « films » de processus de liaison chimique ou analyser la façon dont l'énergie vibratoire circule à travers un matériau.

Les XFEL ne sont pas nouveaux, la première installation de ce type à être mise en ligne étant le Source de lumière cohérente Linac (LCLS) au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis. La construction a commencé en 2005 et s'est achevée quatre ans plus tard. L'installation fait actuellement l'objet d'une mise à niveau majeure - connue sous le nom de LCLS II – cela impliquera de faire passer le nombre d'impulsions de rayons X par seconde de 120 en LCLS à un million en LCLS II.

D'autres XFEL ont rapidement ouvert au Japon, en Allemagne, en Corée du Sud et en Suisse, ce qui signifie qu'il existe désormais cinq installations d'utilisateurs de ce type dans le monde. En 2008, le Royaume-Uni a également commencé à envisager d'héberger un XFEL dédié, mais les plans n'ont pas réussi à gagner du terrain. Le Royaume-Uni a plutôt choisi de rejoindre le Laser à électrons sans rayons X européen (European XFEL) au laboratoire DESY près de Hambourg, en Allemagne.

Le XFEL européen, qui a réalisé sa première lumière en 2017, comprend un accélérateur linéaire supraconducteur de 2.1 km qui peut accélérer des électrons à 17.5 GeV. L'installation produit des impulsions de rayons X 27 000 fois par seconde, chaque impulsion durant moins de 100 fs. En 2022, plus de 120 articles ont été publiés sur la base d'expériences réalisées dans l'installation.

Le Royaume-Uni a d'abord été impliqué dans le XFEL européen en développant une technologie, en concevant des instruments, en contribuant à la construction et en rejoignant des consortiums d'utilisateurs. Le Royaume-Uni Source lumineuse de diamant dans l'Oxfordshire accueille également deux "Moyeux XFEL» – dans les sciences physiques et de la vie – où les utilisateurs britanniques du XFEL européen reçoivent un soutien en termes de formation, de préparation d'échantillons et de traitement des données.

En 2018, le Royaume-Uni est alors devenu le 12ème pays à rejoindre le XFEL européen, contribuant à hauteur de 26 millions d'euros – soit 2 % – au coût de construction de l'installation de 1.22 milliard d'euros (prix équivalents 2005). Le Royaume-Uni a également commencé à payer 2% des coûts d'exploitation annuels de l'installation, bien que ce chiffre soit maintenant passé à 7%, le Royaume-Uni étant impliqué dans un pourcentage similaire d'expériences.

Les coûts d'exploitation d'une installation XFEL peuvent être importants. Le XFEL européen, par exemple, a un coût de fonctionnement annuel de 140 millions d'euros, ce qui signifie que les 100 expériences réalisées dans l'installation l'année dernière coûtent chacune environ 1.4 million d'euros. Mais avec le XFEL européen cinq fois sursouscrit, il y a encore de la capacité pour plus de machines et en 2015, le Royaume-Uni a commencé à réexaminer le cas de son propre XFEL.

Construisez votre propre

XFEL européen
Empreinte large : vue aérienne du XFEL européen, long de plus de 3 km. (Avec l'aimable autorisation de XFEL européen)

En raison de la demande croissante de XFEL, le Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC) - l'une des neuf agences de financement de la recherche au Royaume-Uni - a mené une revue stratégique des lasers à électrons libres, qu'il a achevé en 2016. L'examen a conclu que le Royaume-Uni devrait s'assurer qu'il est « en mesure de prendre la décision finale sur l'opportunité de construire un XFEL » d'ici 2020.

Le Royaume-Uni a manqué cette date limite, mais a publié un cas scientifique UK XFEL cette année-là. Plus de 100 scientifiques du monde entier ont aidé à rédiger le rapport, qui recommandait au Royaume-Uni de construire une machine capable de produire des rayons X avec une énergie comprise entre 0.1 keV et 150 keV et une durée d'impulsion de 100 attosecondes à 1 fs, permettant de nouvelles régimes à explorer.

L'apparence des XFEL dans les années 2030 ou 2040 peut être très différente de ce à quoi elles ressemblent aujourd'hui

Mike Dunn

En octobre 2022, la proposition UK XFEL a été augmentée de 3.2 millions de livres sterling à partir de Recherche et innovation au Royaume-Uni - l'organisation faîtière des neuf conseils de recherche du Royaume-Uni - pour effectuer un examen de la conception conceptuelle. Il devrait prendre environ trois ans et nécessitera également la mise à jour du dossier scientifique. Selon le physicien Ian Walmsley, prévôt de l'Imperial College de Londres, l'examen est une "étape importante" pour le projet.

Lors de l'événement à la Royal Society, les scientifiques ont décrit ce qu'une nouvelle installation pourrait étudier. Cela inclut les matériaux quantiques, la biologie structurale dynamique et même, en tant que physicien et utilisateur de XFEL Emma McBride de l'Université Queen's de Belfast a expliqué, obtenant une meilleure compréhension des conditions à l'intérieur des planètes.

David Dunning, un physicien de l'Accelerator Science and Technology Centre (ASTeC) du laboratoire de Daresbury, note qu'un XFEL britannique exploitant un accélérateur linéaire supraconducteur de 8 GeV "couvrirait une grande partie de la base scientifique" qui ressortait de l'enquête auprès des utilisateurs potentiels. Mais cette exigence énergétique sera maintenant étudiée plus en détail lors de l'examen de la conception conceptuelle.

Un engagement communautaire

Une enquête auprès de groupes de recherche au Royaume-Uni, menée dans le cadre du cas scientifique UK XFEL, a indiqué que plus de 500 scientifiques britanniques ont participé activement à la science XFEL au cours de la dernière décennie. Mais Jon Marangos de l'Imperial College de Londres, qui est le responsable scientifique de UK XFEL, affirme qu'il sera crucial dans les années à venir d'élargir l'engagement de la communauté scientifique pour s'assurer que la science XFEL ne se transforme pas en une clique d'utilisateurs.

Robert Feidenhans
Perspectives d'avenir : Robert Feidenhans'l discute des développements de l'installation européenne de laser à rayons X à électrons libres à Hambourg, en Allemagne (Autorisation : STFC)

Dans le cadre de l'examen du design conceptuel, une série d'événements et d'ateliers de style "mairie" seront désormais organisés dans tout le pays. L'UKRI espère que ces réunions rassembleront la communauté et lui permettront d'expliquer aux scientifiques ce que ces machines peuvent faire. Un événement devrait avoir lieu tous les trois mois jusqu'à la fin de 2024.

Un thème clé qui a émergé lors de la réunion de la Royal Society était la nécessité pour le Royaume-Uni de réfléchir le plus tôt possible au processus réglementaire nécessaire étant donné qu'un XFEL britannique devra probablement être construit, au moins en partie, dans une zone de ceinture verte. Jim Clarke de l'ASTeC souligné que la durabilité sera également un élément clé de la conception. Cela pourrait inclure, par exemple, l'utilisation de supraconducteurs pour les cavités radiofréquence qui peuvent fonctionner efficacement à des températures supérieures à 2 K.

Les responsables de l'événement de Londres ont tenu à reconnaître que la principale exigence pour un XFEL britannique est qu'il doit avoir des capacités actuellement impossibles ailleurs. Ce point de vue est soutenu par le directeur de LCLS Mike Dunn qui a déclaré aux délégués que l'innovation sera essentielle lors de la conception d'une installation de nouvelle génération. "L'apparence des XFEL dans les années 2030 ou 2040 peut être très différente de ce à quoi elles ressemblent aujourd'hui", dit-il.

Nous commençons seulement à effleurer la surface de ce que ces machines peuvent faire

Emma McBride

La décision de commencer à travailler sur une revue de conception conceptuelle ne signifie cependant pas qu'un XFEL britannique sera construit. Comme les orateurs de la réunion de la Royal Society l'ont clairement indiqué, il pourrait conclure que la machine est trop chère et qu'une meilleure option serait de soutenir les développements et d'approfondir les liens dans une autre installation.

Mais si une option basée au Royaume-Uni est considérée comme le meilleur pari et qu'un financement est disponible, la prochaine étape serait une conception technique sur la conception privilégiée. Bien que les utilisateurs puissent devoir attendre plusieurs décennies pour commencer des expériences sur un XFEL britannique, la machine pourrait offrir beaucoup à la science. "Nous commençons seulement à effleurer la surface de ce que ces machines peuvent faire", note McBride.

Comment fonctionne un laser à rayons X à électrons libres

Les XFEL fonctionnent en accélérant des paquets d'électrons dans un accélérateur linéaire à des énergies gigaélectronvolt (GeV). Les électrons sont ensuite passés à travers des "ondulateurs" qui font suivre aux électrons un chemin sinusoïdal et émettent un rayonnement synchrotron dans le processus. Comme les photons sont initialement incohérents et concentrés sur une gamme étroite de longueurs d'onde, la lumière est amplifiée en lumière laser cohérente par un processus connu sous le nom d'émission spontanée auto-amplifiée.

Lorsque les électrons traversent l'onduleur, la lumière qu'ils émettent interagit avec les électrons qui les suivent et cette interaction accélère ou ralentit les électrons en fonction de leur position et de la phase de la lumière. Le résultat net est que les électrons se regroupent lorsqu'ils se déplacent et produisent ainsi de la lumière en phase et avec une intensité plus élevée.

Cette méthode donne une brillance maximale des rayons X aux XFEL d'environ 10 ordres de grandeur supérieure aux sources de lumière synchrotron de « troisième génération » existantes. La longueur d'onde de la lumière peut également être facilement modifiée en contrôlant l'énergie du faisceau d'électrons dans l'accélérateur linéaire ou le champ magnétique des onduleurs pour produire des rayons X avec une longueur d'onde aussi petite que 0.1 nm.

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