Fermilab livre le dernier composant d’accélérateur de particules supraconducteur pour le laser le plus puissant du monde

Aujourd’hui, le Laboratoire Fermi du Département de l’Énergie a expédié son dernier composant supraconducteur pour le nouvel accélérateur de particules de la Linac Coherent Light Source II, ou LCLS-II, au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE.

Le cryomodule – le composant principal de l’accélérateur linéaire – est le dernier requis pour le projet LCLS-II, qui sera le laser à rayons X le plus brillant du monde une fois terminé.

«C’est ce à quoi nous travaillons depuis six ans. Depuis 2014, notre équipe conçoit, construit, teste et fournit les cryomodules supraconducteurs haute performance qui composeront cette machine de découverte de pointe », a déclaré Rich Stanek, chef d’équipe senior du LCLS-II Fermilab. «L’envoyer aujourd’hui, c’est nouer l’arc de notre effort de contribution. Nous sommes honorés de faire partie de LCLS-II, tirant parti de notre expertise en technologie d’accélération supraconductrice pour alimenter le faisceau de particules d’un laser à rayons X de classe mondiale. Tous ceux qui sont liés au projet LCLS-II doivent être très fiers de leurs réalisations. »

Une mise à niveau du LCLS de SLAC, qui était le premier laser à électrons libres à rayons X durs au monde, LCLS-II offrira un bond de géant en termes de capacité. Il déclenchera 1 million d’impulsions de rayons X par seconde, contre 120 impulsions par seconde de LCLS. Armés de ces rayons lumineux rapides, les scientifiques utilisant LCLS-II seront en mesure d’examiner les processus biologiques et chimiques microscopiques en temps réel et dans des moindres détails.

L’accélérateur de particules qui fournit les électrons à haute énergie pour le laser LCLS-II sera composé de 37 cryomodules, dont le plus long mesure 12 mètres (40 pieds) de longueur. Alignés bout à bout comme des voitures dans un train, ils forment une sorte de piste pour le faisceau d’électrons qui monte en énergie. Dix-huit des cryomodules proviennent du laboratoire Fermi et 19 du laboratoire Jefferson du ministère de l’Énergie. Les deux laboratoires ont fourni des pièces de rechange supplémentaires.

Le cryomodule du Fermilab mesure 12 mètres (39 pieds) de long et commencera le transport vers le SLAC le 19 mars 2021. Photo: Ryan Postel, Fermilab

Une fois que le faisceau d’électrons sort des cryomodules, il est amené à se déplacer rapidement d’un côté à l’autre à travers une série d’ondulateurs, émettant des rayons X lorsqu’il zigzague. Les nouveaux onduleurs ont été conçus et construits par Lawrence Berkeley National Laboratory et Argonne National Laboratory du DOE. L’Université Cornell contribue également à des composants pour LCLS-II.

L’installation du cryomodule LCLS-II devrait être achevée ce printemps et la mise en service du LCLS-II débutera en 2022 dès la mise en service de la cryopantation LCLS-II. LCLS-II est soutenu par le Département de l’Energie Office of Science.

«La conception et la construction des cryomodules LCLS-II ont été un exemple de véritable collaboration interinstitutionnelle, réunissant l’expertise et les capacités de trois laboratoires nationaux dans les domaines de l’accélération des particules, de la science de la supraconductivité et de la science des photons», a déclaré le directeur adjoint du SLAC et LCLS-II Directeur de projet Norbert Holtkamp. «Nous sommes impatients d’accueillir le cryomodule final au SLAC.»

Chaque cryomodule contient huit cavités accélératrices supraconductrices, des structures creuses qui ressemblent à des brins métalliques géants de perles. Lorsque le faisceau de particules traverse une cavité après l’autre, il capte de l’énergie. Les cryomodules, d’environ un mètre de diamètre, logent les cavités et permettent de les refroidir à environ 2 kelvins, en maintenant les températures nécessaires qui permettent la supraconductivité des cavités.

Au cours des deux dernières décennies, Fermilab a développé son programme de radiofréquence supraconductrice, ou SRF, qui a permis à Fermilab de participer à la conception, à la construction et aux tests des composants d’accélérateur de pointe de LCLS-II.

«Nous sommes fiers d’être un partenaire clé dans la construction de cette nouvelle source lumineuse révolutionnaire», a déclaré Alex Romanenko, directeur technique du Laboratoire Fermi. «Au cours des deux dernières décennies, l’investissement du DOE dans la physique des hautes énergies a permis à Fermilab de faire progresser considérablement la R&D et de développer son programme SRF, menant à des percées importantes dans l’efficacité des cavités SRF, grâce à des découvertes telles que le dopage à l’azote et les méthodes de refroidissement rapide pour réduire champs magnétiques piégés. Ces améliorations ont contribué aux cryomodules de LCLS-II, leaders mondiaux. »

La conception du cryomodule LCLS-II SRF est une modification d’un type développé au laboratoire DESY en Allemagne. La poursuite de la R&D du Laboratoire Fermi dans le domaine de la préparation de surfaces supraconductrices a attiré des performances record dans les cavités de l’accélérateur, ce qui les rend très écoénergétiques tout en accélérant le faisceau. Des travaux sont déjà en cours sur la prochaine génération de cryomodules pour une future mise à niveau à haute énergie vers LCLS-II.

Les techniciens du Fermilab préparent le cryomodule pour le transport en effectuant des contrôles finaux sur l’instrumentation. Photo: Ryan Postel, Fermilab

«Le leadership de Fermilab et Jefferson Lab dans SRF en a fait les partenaires parfaits pour s’engager dans la conception et la construction de l’accélérateur LCLS-II», a déclaré Hanley Lee, directeur adjoint du bureau de site de DOE Bay Area, directeur fédéral du projet. «Le nouveau laser à rayons X du SLAC ne serait pas la machine de pointe que nous attendons de lui sans ces cryomodules de pointe. LCLS-II sera un outil de découverte sans précédent, mettant en lumière des processus cachés dans la nature qui pourraient détenir des clés pour améliorer notre santé, notre environnement et notre sécurité. Nous ne pourrions pas le construire sans l’expertise diversifiée de chercheurs issus du large éventail de domaines qui se sont réunis dans le cadre de ce projet extraordinaire.

Nigel Lockyer, directeur du Laboratoire Fermi, convient que, dans le succès des cryomodules LCLS-II, la collaboration a été essentielle.

«Le projet LCLS-II est un merveilleux partenariat des forces des laboratoires DOE», a déclaré Lockyer. «En capitalisant sur la science et la technologie des accélérateurs développées au Laboratoire Fermi pour étudier les éléments de base de la matière, nous l’appliquons maintenant à LCLS-II afin que nous puissions explorer de nouveaux territoires scientifiques. LCLS-II est un témoignage de l’effort scientifique coopératif. »

En savoir plus sur les cryomodules et le projet LCLS-II.

Fermilab est le premier laboratoire national américain pour la physique des particules et la recherche sur les accélérateurs. Laboratoire de l’Office of Science du Département américain de l’énergie, Fermilab est situé près de Chicago, dans l’Illinois, et exploité sous contrat par Fermi Research Alliance LLC, un partenariat entre l’Université de Chicago et l’Universities Research Association, Inc. Visitez le site Web du Fermilab à l’adresse www. .fnal.gov et suivez-nous sur Twitter à @Fermilab.

Fermilab est soutenu par le Bureau de la Science du Département américain de l’Énergie. L’Office of Science est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’emploie à relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez visiter energy.gov/science.