Le laser à rayons X le plus puissant du monde est sur le point d’être beaucoup plus puissant. Depuis sa création en 2009, la source lumineuse cohérente Linac a aidé les scientifiques à se plonger dans le monde mystérieux des atomes et de la physique quantique, et la phase deux est sur le point de démarrer. Le premier des 37 «cryomodules» est arrivé au Laboratoire national des accélérateurs SLAC de l’Université de Stanford, ce qui permettra d’augmenter la vitesse et la puissance de l’installation.
Accrochage des images radiographiques à haute résolution à l’échelle moléculaire nécessite une «caméra» qui est de 2 miles (3,2 km) de long. Tout commence à l’injecteur, qui fait exploser une plaque de cuivre avec de la lumière ultraviolette pour déclencher une explosion d’électrons. Ces électrons sont ensuite accélérés le long d’un long tuyau de cuivre jusqu’à ce qu’ils atteignent la salle des onduleurs, où de puissants aimants introduisent une oscillation à leurs trajectoires auparavant rectilignes. Ce mouvement d’un côté à l’autre fait que les électrons se détachent des rayons X, et ces signaux sont ensuite amplifiés et envoyés dans différentes parties de l’installation pour différentes expériences.
En huit ans d’histoire, les scientifiques ont exploité le pouvoir de prendre des images radiologiques de protéines et de virus en action, de recréer les conditions au centre d’une étoile, de déclencher un «trou noir» dans les molécules, et même de faire la pluie de diamant « qui pourrait tomber sur des planètes comme Uranus et Neptune.
Actuellement, peut déclencher 120 impulsions de rayons X par seconde. C’était autrefois un état de l’art, mais l’installation de Stanford a depuis été éclipsée par le laser européen sans rayons X en Allemagne, qui peut produire 27 000 impulsions par seconde. Cependant, II est prêt à reprendre la couronne, en augmentant sa production à un million d’impulsions par seconde et en amplifiant les rayons X à 10.000 fois la luminosité qu’ils peuvent atteindre actuellement.
Cette puissance incroyable provient d’une série de cryomodules conçus pour être supraconducteurs afin de stimuler les électrons avec une perte d’énergie minimale. Au cœur de chaque cryomodule se trouve un chapelet de huit cavités en niobium extrêmement pur, qui sont enfermées dans trois couches d’équipement de refroidissement. Alors que le tuyau en cuivre actuellement utilisé fonctionne à température ambiante, les cryomodules refroidissent le tube jusqu’à -276 ° C (-456 ° F), ou juste au-dessus du zéro absolu. C’est aussi froid que le vide de l’espace.
Pour donner aux électrons un regain d’énergie lorsqu’ils traversent cet environnement incroyablement froid, les micro-ondes sont d’abord générées dans des amplificateurs à semi-conducteurs logés dans une installation hors-sol. Les micro-ondes sont ensuite conduites dans les cryomodules, où elles alimentent un champ électrique oscillant qui résonne à l’intérieur des cavités de niobium. Comme cette tension extrêmement élevée oscille, elle est synchronisée au rythme des paquets d’électrons qui y transitent, ce qui leur transfère l’énergie, les accélérant avec des pertes minimales. Au moment où les électrons traversent les 37 cryomodules, ils voyageront presque à la vitesse de la lumière.
«Si un diapason – un autre type de résonateur – avait la même performance que l’une de ces cavités supraconductrices, il sonnera pendant plus d’un an», explique Marc Ross, qui dirige le développement des cryomodules. « La supraconductivité permet aux cavités d’accélérer les électrons dans une onde régulière et continue sans interruption, et avec une efficacité extrêmement élevée. »