Le SwissFEL, laser à électrons libres compact et performant

Un laser à électrons libres (en anglais FEL pour free electron laser)  utilise des électrons qui ne sont pas liés à un atome pour créer des photons d’une longueur d’onde et d’une amplitude données.

Ces grands appareils fournissent un faisceau de lumière cohérente de forte intensité dans des longueurs d’onde allant des micro-ondes aux rayons X durs (λ ~ 1 Å). Ceci a permis des observations dynamiques allant de la détermination des fonctions de certaines protéines et de la compréhension du mécanisme contrôlant les liaisons chimiques à la mesure à l’ambiante de structures sensibles comme les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), récepteurs membranaires des cellules chez les mammifères.

Ces instruments présentent la structure suivante :
Les paquets d’électrons créés par un canon à électrons sont injectés dans  un accélérateur linéaire (Linac). A la sortie de celui-ci, le faisceau d’électrons à grande vitesse (proche de celle de la lumière) traverse un “onduleur”, suite d’aimants permanents alternés. Les déviations magnétiques du faisceau imposent aux électrons une trajectoire en zig-zag, donc des accélérations qui entraînent une émission de photons par ces particules chargées accélérées.
A la différence des lasers classiques, ces instruments ne comportent pas de cavités optiques, d’ailleurs trop difficiles à réaliser pour des rayons-X. C’est dans l’onduleur que sont obtenues cohérence et étroite largeur de bande du faisceau de photons et ceci par l’émission spontanée auto-amplifiée, SASE, de l’anglais self-amplified spontaneous emission.

Le processus SASE est dû à l’injection dans un onduleur d’un groupe d’électrons de vitesse proche de celle de la lumière et de densité uniforme. Dans l’onduleur les électrons émettent des photons X. Ces photons un peu plus rapides que les électrons interagissent avec eux. Ceci crée une structuration du faisceau d’électrons qui amplifie certaines des longueurs d’onde des photons. En même temps, les photons sont forcés par la structure du faisceau d’électrons d’avoir une phase très proche, d’où la cohérence du faisceau.

 

Ces grands instruments ont des tailles généralement fort importantes. Citons, par exemple le XFEL de la communauté européenne installé à Hambourg, en Allemagne. Ce système a une longueur de 3,4 km pour une énergie maximum du faisceau d’électrons de 17,5 GeV.

Au contraire, le Swiss FEL a une longueur de 740 m seulement pour une énergie maximum de 5,8 GeV et un coût de revient très inférieur. Il est capable de générer des impulsions de rayons-X d’une longueur d’onde de 1 Å et  d’une énergie de 600 µJ (microjoules)  à une fréquence de répétition de 100 Hz. Il est installé à l’institut Paul Scherrer à Villingen, en Suisse et est en utilisation régulière depuis le début de 2019.

La figure suivante, qui n’est pas à l’échelle, schématise l’instrument:

Fig.1. Schéma du SwissFEL. Il n'est pas à l'échelle. BC : compresseur de paquets d'électrons, bunch compressor, en anglais. TDS : Structure de déflexion transverse, transverse-deflecting structure, en anglais. Adapté de A compact and cost-effective hard X-ray free-electron laser driven by a high-brightness and low-energy electron beam, Nature Photonics | VOL 14 | December 2020 | 748–754 |, avec autorisation.

Fig.1. Schéma du SwissFEL.
Le dessin n’est pas à l’échelle.
BC : compresseur de paquets d’électrons, bunch compressor, en anglais. TDS : Structure de déflexion transverse, transverse-deflecting structure, en anglais.
Adapté de A compact and cost-effective hard X-ray free-electron laser driven by a high-brightness and low-energy electron beam, Nature Photonics | VOL 14 | December 2020 | 748–754 |, avec autorisation.

 

Les électrons émis dans le canon à électrons sont accélérés immédiatement par des champs électriques hyperfréquences dans la bande S puis la bande X. ils sont ensuite injectés dans trois sections d’accélérateur linéaires dont les champs électromagnétiques sont dans la bande C. Les électrons ainsi accélérés jusqu’à l’énergie de 5,8 Gev passent dans l’onduleur.  Dans ce dernier, ils sont défléchis par les aimants et suivent un trajet  en zig-zag  entraînant l’émission de photons X qui sont dirigés en sortie vers les montages d’expériences.

On peut voir ci-dessous les bandes d’hyperfréquences auxquelles appartiennent celles utilisées pour l’accélération linaire des électrons dans SwissFEL.
                                                                                                                                                                                                                                 Wikipedia

Par rapport aux autres lasers à électrons libres en service actuellement, le SwissFEL est l’équipement source  de rayons-X durs qui fonctionne avec la plus basse énergie de faisceau d’électrons, la plus courte période d’inversion des pôles des aimants de l’onduleur (15 mm) et la plus courte longueur d’onduleur (52 m). En comparaison, l’instrument japonais SACLA,  qui fonctionne avec 8,5 GeV d’énergie de faisceau, a une période d’onduleur de 18mm et une longueur d’onduleur de 90 m.

La basse énergie de faisceau du SwissFEL lui permet d’avoir un coût d’investissement inférieur à celui de tous les autres FEL en service. Les coûts de fonctionnement sont aussi des plus bas grâce au fait que SwissFEL consomme seulement 1,7 MW de puissance électrique  pour une fréquence de répétition de 100 Hz et une largeur d’impulsion de 30 fs (1 femtoseconde = 10-15 seconde).

La fig.2. suivante présente des caractéristiques des faisceaux d’électrons et de photons-X.

Fig.2 Faisceaux d'électrons et de photons a)Profil en intensité du faisceau d'électrons avant leur entrée dans l'ondulateur. b) Profil transversal du rayonnement du FEL à la sortie de l'ondulateur pour une longueur d'onde de l'ordre de 1,4 Å. Tiré de A compact and cost-effective hard X-ray free-electron laser driven by a high-brightness and low-energy electron beam, Nature Photonics | VOL 14 | December 2020 | 748–754 |, avec autorisation.

Fig.2 Faisceaux d’électrons et de photons
a) Profil de l’intensité du faisceau d’électrons
avant leur entrée dans l’onduleur.
b) Profil transversal du rayonnement du FEL
à la sortie de l’onduleur pour une
longueur d’onde de l’ordre de 1,4 Å.
Tiré de A compact and cost-effective hard X-ray free-electron laser driven by a high-brightness and low-energy electron beam, Nature Photonics | VOL 14 | December 2020 | 748–754 |, avec autorisation.

 

En dehors de son fonctionnement standard, le SwissFEL peut permettre de faire varier des paramètres du rayonnement fourni comme la durée des impulsions et les propriétés spectroscopiques. Il peut, par exemple,  générer des impulsions X plus courtes, inférieures à 1 fs. Il peut aussi mettre à la disposition des expérimentateurs un rayonnement de très grande largeur de bande. Ces caractéristiques ouvrent la voie à des FEL plus compacts encore et plus accessibles comme celui développé actuellement  par le projet européen CompactLight.

 

 

 

Pour en savoir plus :

A compact and cost-effective hard X-ray free-electron laser driven by a high-brightness and low-energy electron beam, Nature Photonics | VOL 14 | December 2020 | 748–754 |

 

 

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