Un alliage métallique aux allures d’éponge

• Découvrez ici la 1^e partie de l’histoire des chambres à vide; la 2^e partie est ici.

Si l’on veut continuer de suivre la genèse des chambres à vide, il faut franchir l’Aar et se rendre avec Romain Ganter dans une grande halle sur le site PSI Ouest. Parallèlement à d’autres préparatifs pour la SLS 2.0 qui battent leur plein – on y mesure les futurs aimants –, cette halle abrite une construction a priori discrète, mais qui applique de la haute technologie sur la surface interne des chambres à vide: le revêtement NEG.

NEG est l’acronyme de «non-evaporable getter coating». Il s’agit d’un alliage métallique spécial, qui absorbe les molécules de gaz de la même manière qu’une éponge absorbe l’eau. C’est ce développement, apparu ces dernières années et utilisé dans d’autres synchrotrons de dernière génération, qui a permis de réduire le diamètre des anneaux de stockage d’électrons. «En effet, plus un tube est mince, plus il est difficile de le vider complètement avec des pompes à vide», explique Romain Ganter.

Le revêtement NEG permet de gagner deux ans

Plus difficile signifie ceci: ce serait possible, mais cela prendrait plusieurs années. «En n’utilisant que les pompes, la SLS ne pourrait probablement atteindre le fonctionnement nominal qu’au bout de deux ans, voire davantage, poursuit Romain Ganter. Dans tous les cas, cela prendrait beaucoup trop de temps, durant lequel aucune recherche ne pourrait être menée.»

Le revêtement NEG absorbe ce que les pompes ne parviennent pas à aspirer aussi rapidement. «Avec ce revêtement, nous aurons probablement atteint le vide nécessaire au bout deux mois déjà.» Pendant le fonctionnement, il faudra qu’il règne un ultravide de seulement 1 milliardième de millibar. «Grâce au soutien des experts NEG du CERN, nous avons pu développer rapidement un procédé de revêtement au PSI».

Romain Ganter désigne la construction discrète, où trois fils de couleurs légèrement différentes et torsadés les uns avec les autres sont tendus de haut en bas. «L’un des fils est en vanadium, un autre est en titane et un autre encore est en zirconium», précise Romain Ganter. Pris ensemble, ils donnent le revêtement NEG. Le fil est enfilé à l’intérieur de la chambre à vide pour appliquer l’alliage de manière uniforme. Par ailleurs, on injecte un peu de krypton, un gaz, dans la chambre. A l’extérieur de la chambre à vide se trouve une bobine magnétique étroite qui allume localement un plasma dans le krypton. «Nous faisons monter et descendre cette bobine une centaine de fois le long de la chambre, explique Romain Ganter. Le plasma éjecte alors peu à peu les atomes des trois fils métalliques et ils se déposent sur la surface intérieure de la chambre.» Au final, la couche de NEG doit être la plus uniforme possible, d’une épaisseur d’un demi-millième de millimètre.

«Nous réalisons avec cette machine le revêtement NEG des 100 chambres que nous produisons ici, au PSI», relève encore le physicien. Les chambres à vide fabriquées à l’externe, en revanche, ont également un revêtement NEG. «Nous avons pu ainsi échanger d’égal à égal avec les entreprises qui les produisent et pu apprendre les uns des autres, souligne Romain Ganter. Nous maîtrisons vraiment bien la technologie, à présent, et ce savoir-faire essentiel est désormais bien contrôlé au PSI.»

Des arcs de 18 mètres de long

Une fois le revêtement NEG terminé, les chambres sont assemblées bout à bout pour former chaque fois des arcs de 18 mètres de long. L’assemblage se fait dans une salle blanche qui se trouve dans le bâtiment de la SLS, car avec 18 mètres, cela devient difficile de passer les portes.

Sur une longue table spéciale, des supports sont prêts à accueillir les chambres à vide. A présent, on ne brase plus, mais on travaille avec des raccords vissés. Le groupe de Romain Ganter équipe également les canaux de refroidissement et insère les capteurs de température qui, lors de l’utilisation, fourniront un feedback essentiel pour les instruments. Il y a plusieurs capteurs par chambre et, en tout, ils seront au nombre de 2000 répartis sur l’ensemble de l’anneau de stockage d’électrons.

Vient ensuite le test du vide. Si celui-ci réussit, l’arc est rempli d’azote et stocké ainsi jusqu’à son utilisation. Le revêtement NEG pourra alors être réactivé en le chauffant.

Pour l’instant, Romain Ganter ne peut expliquer que de manière théorique comment les arcs seront amenés jusqu’à leur lieu d’utilisation dans l’anneau: «Ils seront fixés dans un cadre métallique qui sera soulevé par l’un des ponts roulants de la SLS. Le cadre doit bien soutenir le tout pour pouvoir transporter notre macaron de 18 mètres de long en toute sécurité», sourit Romain Ganter.

Il semble se réjouir à l’avance de la vue qui s’offrira à lui peu après le début du shutdown à l’automne 2023.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann