Au cours des quatre dernières années, des chercheurs du PSI ont développé et soigneusement testé sur le banc d’essai « SwissFEL Injecteur », des technologies-clé pour le laser à rayons X SwissFEL. Le programme de recherche est maintenant achevé. L’installation du nouveau grand instrument de recherche démarre début 2015.
Le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL produira des impulsions extrêmement courtes et intenses de rayons X ayant les propriétés du laser. Pour ce faire, il génèrera des électrons, les amènera à haute énergie dans un accélérateur linéaire, avant de leur faire suivre une trajectoire sinueuse à travers des onduleurs (un agencement spécial d’aimants). Lors de cette trajectoire sinueuse, les électrons émettront de la lumière, qui va s’amplifier pour atteindre une haute intensité. Elle se transformera ainsi en flashes brillants de rayons X, qui seront utilisés au SwissFEL pour des expériences.
Exigences technologiques de haut niveau
L’installation s’étire sur quelque 740 mètres, mais seuls 570 mètres sont disponibles pour générer les impulsions de rayons X. La contrainte d’une construction compacte pour le nouveau grand instrument de recherche de l’Institut Paul Scherrer PSI a nécessité beaucoup de nouveaux développements technologiques. Lorsqu’il sera achevé, le SwissFEL sera l’un des cinq lasers à rayons X à électrons libres du monde. Comparé aux autres installations, il travaillera avec une énergie de faisceau nettement plus basse.
Pour pouvoir produire des impulsions de rayons X en dépit de la basse énergie des électrons, il faut un faisceau d’électrons d’une très grande qualité. « Le faisceau doit être parfait dès le début », explique Thomas Schietinger, chef de la Section Accélérateurs Concepts du PSI. Il y a quatre ans, un programme de recherche a été mis sur pied au PSI et dédié à la partie initiale de l’instrument, qui génère les électrons, leur imprime leur première poussée accélératrice et les maintient compacts : l’injecteur.
Tests menés dans des conditions réalistes
Des études de faisabilité ont été menées, et des technologies-clé ont été développées, testées et optimisées à l’installation test de l’injecteur. Pour les chercheurs c’était un terrain technologique nouveau : « Nous devions montrer qu’il était possible de produire et de caractériser le faisceau d’électrons demandé », souligne Marco Pedrozzi, responsable du banc d’essai « SwissFEL Injecteur ».
Après avoir atteint cet objectif, l’équipe de recherche du PSI emmenée par Thomas Schietinger a travaillé d’arrache-pied pour optimiser la qualité du faisceau, et s’assurer qu’elle pouvait être maintenue sur l’ensemble du parcours de l’accélérateur. Le faisceau d’électrons a été soumis à un premier baptême du feu après l’installation du prototype de l’onduleur : « Les résultats de l’exploitation du faisceau avec l’onduleur ont satisfait nos attentes, se réjouit Thomas Schietinger. Nous avons réussi à produire le premier faisceau laser à électrons libres de Suisse. »
Les derniers mois d’exploitation ont été dédiés au test de la source d’électrons, qui génèrera les électrons au SwissFEL. A la mi-2015, elle sera transférée dans le bâtiment du SwissFEL. L’installation de l’instrument, qui prendra deux ans, commencera là-bas début 2015. Le SwissFEL est prêt à être monté. Marco Pedrozzi tire un bilan positif du programme de recherche : « Grâce à nos tests menés dans des conditions réalistes, nous avons pu apporter une contribution importante au succès de la mise en œuvre », conclut-il.
Texte : Institut Paul Scherrer Institut/Martina Gröschl