500 chambres à vide pour le nouvel anneau

Le point critique, c’est le diamètre. A l’intérieur, celui du futur tube à vide de la Source de Lumière Suisse SLS est de seulement 1,8 centimètres. Et à peine plus à l’extérieur, car l’épaisseur des parois ne doit pas dépasser 1 millimètre. Ce tube mince formera un grand anneau de 288 mètres de circonférence. C’est lui qui abritera les électrons: ils y fileront à une vitesse très proche de celle de la lumière, toujours sur une trajectoire circulaire. Et ce faisant, ils génèreront la lumière de type rayons X, qui sera utilisée à son tour pour la recherche.

Si l’on veut comprendre pourquoi les nouveaux tubes sont si minces et fins, et comment cet aspect est résolu sur le plan technique, il faut se rendre dans différents lieux au PSI: à l’atelier du PSI situé sur la rive est de l’Aar, dans une salle polyvalente du site PSI Ouest et dans le bâtiment de la SLS proprement dite.

René Sieber et Romain Ganter nous ont proposé de commencer par l’atelier. «Il y a quatre ans environ, nous avons eu notre première discussion concernant la manière dont nous pourrions aborder les défis techniques que présente le nouveau tube à vide», raconte Romain Ganter.

René Sieber et lui-même sont rattachés à la division de recherche Grandes installations de recherche du PSI. René Sieber est technicien et responsable de la section Techniques de production. L’atelier est son domaine. Romain Ganter, pour sa part, vient de la recherche scientifique: il est physicien, responsable de la section Vide et également de la mise à niveau de l’anneau de stockage d’électrons dans le cadre du projet SLS 2.0. Or la pièce maîtresse de cet anneau, c’est le tube à vide.

«Nous n’avons pas tardé à remarquer que la tâche allait être complexe, poursuit René Sieber. L’idée de fabriquer tout cela nous-mêmes, ou tout au moins de commencer avec nos propres prototypes, s’est elle aussi rapidement imposée.»

Manque de place entre les aimants

L’équipe de Romain Ganter a produit le premier concept pour le tube. Même si, au PSI, personne ne parle de tube, mais de chambres à vides. Ce sont elles qui, une fois assemblées les unes aux autres, finissent par former l’anneau sous vide. Et ces chambres à vide ont toutes des configurations différentes, car elles doivent s’adapter précisément à l’espace disponible de chaque endroit de l’anneau de stockage d’électrons, où chaque centimètre est déjà réservé: pour des aimants qui dirigent précisément les électrons, pour des onduleurs – un dispositif particulier d’éléments magnétiques – qui excitent les électrons de manière ciblée pour qu’ils produisent du rayonnement synchrotron, pour des éléments diagnostiques qui mesurent les paramètres importants, pour des éléments de refroidissement à l’eau, pour des pompes à vide, et ainsi de suite.

Les chambres à vide doivent s’intégrer entre tous ces éléments. Leur coupe transversale n’est donc pas ronde, mais présente la plupart du temps une forme octogonale. «Pour que tous nos aimants et nos instruments puissent bien s’intégrer tout autour», précise Romain Ganter. La mise à niveau prévoit de rapprocher le plus possible les aimants du faisceau d’électronss pour faire en sorte qu’il génère de la lumière synchrotron plus brillante.

Enjeux des arbitrages: quelques fractions de millimètre

C’est précisément la raison pour laquelle les chambres à vide ont un diamètre de seulement 1,8 centimètre. Tout doit être réalisé avec la plus grande précision: parfois, la tolérance ne doit pas dépasser 0,01 millimètre. Chaque fois que c’était possible, les arbitrages pendant la planification ont porté sur quelques fractions de millimètre, notamment pour l’épaisseur de la paroi. En effet, les limitations imposées de l’extérieur ont fait que le matériau pouvait être épaissi uniquement vers l’intérieur. Mais les électrons n’auraient pas eu suffisamment de place et il serait devenu encore plus difficile d’aspirer l’air que cela ne l’était déjà; ce qui n’est pas idéal quand le but est un ultravide pour que les électrons n’entrent pas en collision avec les particules d’air.

Pour René Sieber, en tant que technicien, tout tourne autour des matériaux: «La plupart des chambres sont en cuivre pur», explique-t-il. Avec l’anneau mis en service en 2001 à la SLS, ce n’était pas le cas: ses chambres sont en acier inoxydable. Un matériau meilleur marché et beaucoup plus facile à travailler. «Mais maintenant, avec le diamètre étroit, nous devions impérativement prendre un matériau qui conduise bien l’électricité et la chaleur», explique Romain Ganter. Or le cuivre remplit ces deux conditions. «Un courant dit image se forme dans les parois, et il faut qu’il puisse suivre la cadence pour que les électrons ne soient pas ralentis dans l’anneau de stockage, poursuit le physicien. Quant à la conductivité thermique, elle est importante pour que nous puissions mieux refroidir les chambres: le rayonnement synchrotron génère en effet une chaleur considérable.»

Le cuivre a poussé les techniciens aux limites du possible. Mais ils ont relevé le défi. Les 500 chambres à vide ont toutes été planifiées au PSI. Les 100 plus complexes seront également construites dans les ateliers de l’institut. Le PSI a confié le mandat de réalisation des 400 restantes à des entreprises en leur fournissant des consignes précises.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

Dans la 2^e partie, disponible dès le 15.06.2023, découvrez comment les chambres à vide sont fabriquées au PSI.