Le LCLS-II ajoutera un accélérateur supraconducteur, qui occupera un tiers du tunnel original de l’accélérateur linéaire de SLAC, long de 3 km, et qui générera un faisceau laser à rayons X presque continu. Outre le nouvel accélérateur, le LCLS-II nécessite un certain nombre d’autres composants de pointe, notamment une nouvelle source d’électrons, une puissante installation de refroidissement qui produit du réfrigérant pour l’accélérateur, et deux nouveaux onduleurs pour générer des rayons X. Crédit : SLAC National Accelerator Laboratory
Une journée dans la vie de deux experts de l’accélérateur
Kathleen Ratcliffe et Tien Fak Tan ont coopéré au cours des dernières années pour aider à créer l’accélérateur supraconducteur qui alimentera les nouvelles percées scientifiques du laser à rayons X du SLAC. Selon Kathleen Ratcliffe et Tien Fak Tan, directeurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, la mise à niveau d’un accélérateur est comparable à la modernisation d’une maison. Il suffit d’un peu plus de travail d’équipe et d’une connaissance approfondie de la physique et de la technologie qui font fonctionner les accélérateurs.
Ils sont tous deux responsables d’équipes au sein de la direction des accélérateurs du SLAC, qui a travaillé sur une mise à niveau majeure du laser à rayons X LCLS. Le projet LCLS-II prévoit l’ajout d’un accélérateur supraconducteur qui créera un second faisceau laser à rayons X 10 000 fois plus lumineux et 8 000 fois plus rapide que son prédécesseur, jusqu’à un million d’impulsions par seconde.
Le laser à rayons X LCLS-II (bleu, à gauche) est représenté à côté du précédent LCLS (rouge, à droite). Le LCLS utilise le dernier tiers de l’accélérateur linéaire de 2 miles de long de SLAC – une structure creuse en cuivre qui fonctionne à température ambiante et permet de générer 120 impulsions de rayons X par seconde. Pour le LCLS-II, le premier tiers de l’accélérateur en cuivre sera remplacé par un accélérateur supraconducteur, capable de créer jusqu’à 1 million de flashs de rayons X par seconde. Crédit : SLAC National Accelerator Laboratory
Le travail de Ratcliffe consiste à coordonner la fabrication, la distribution et l’installation des composants de l’accélérateur. Tan est en charge des ingénieurs qui conçoivent les pièces. Lorsque des problèmes surviennent pendant l’installation, Tan collabore avec d’autres ingénieurs pour trouver une solution. Ratcliffe prend leurs conceptions et les transforme en composants et systèmes physiques. Les pièces sont ensuite assemblées en un accélérateur par Ratcliffe, Tan et leurs équipes d’ingénieurs et de techniciens.
Essentiellement, Tan est comme un architecte qui conçoit et peaufine les plans, et Ratcliffe est comme l’entrepreneur qui travaille pour rendre leur mise en œuvre possible. Les deux hommes se transmettent constamment des informations et des idées pour s’assurer que le produit final fonctionne comme prévu. Leur travail nécessite également une coopération et une coordination avec des centaines de personnes différentes dans plusieurs départements du SLAC.
Lignes de faisceaux du LCLS-II. Crédit : SLAC National Accelerator Laboratory
Et maintenant, après des années de travail, Ratcliffe et Tan sont impatients de voir l’accélérateur briller : Le LCLS-II devrait être mis en service en 2022. Cette mise à niveau permettra au SLAC d’accueillir de nouveaux types d’expériences de pointe, qui déboucheront sur des avancées dans les domaines des matériaux et des sciences physiques, chimiques et biologiques.
Répondant à l’appel à la construction d’un nouveau laser à rayons X révolutionnaire, SLAC développe une mise à niveau de sa source de lumière cohérente Linac (LCLS) qui sera à l’avant-garde de la science des rayons X.
Une montagne de pièces
En tant que responsable de l’installation de la mise à niveau du LCLS-II, M. Ratcliffe veille à ce que l’ensemble de l’accélérateur soit assemblé en toute sécurité et conformément aux exigences de physique qui permettront à la machine de concentrer, de diriger et d’accélérer le faisceau d’électrons. La construction de près de 4 kilomètres d’accélérateur nécessite également beaucoup de matériaux, et comme elle est également chef du département de la planification technique à la direction, Ratcliffe les organise tous.
Kathleen Ratcliffe, du SLAC, coordonne la fabrication, la distribution et l’installation des pièces qui composent le nouvel accélérateur supraconducteur du LCLS-II, une mise à niveau majeure du laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source du laboratoire. Crédit : Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
“C’est un travail très intense, mais elle continue à travailler avec la même intensité”, déclare Dian Yeremian, un physicien du SLAC qui travaille avec Ratcliffe au SLAC depuis plus de trois décennies.
L’intensité du travail n’a fait qu’augmenter pendant la pandémie de coronavirus. Alors que les habitants de la Californie se sont réfugiés chez eux, les pièces du nouvel accélérateur ont continué à être acheminées.à venir des fournisseurs extérieurs. Les équipes d’inventaire et d’installation ont adopté les protocoles de sécurité COVID qui leur ont permis de reprendre rapidement la fabrication et la construction. Mais elles avaient encore du retard à rattraper.
“Il y avait juste cette montagne de pièces”, dit Ratcliffe. “Si vous vous teniez devant la pile, vous ne pouviez pas voir l’arrière du bâtiment”. C’était immensément satisfaisant de voir cette montagne se transformer en accélérateur, dit-elle.
Prendre de la vitesse
M. Tan est l’ingénieur mécanicien en chef et le responsable de l’installation du LCLS-II. Avec son équipe, il travaille donc à l’intégration de ces pièces et systèmes dans l’accélérateur. Il dirige également le département de génie mécanique de la direction et travaille au SLAC depuis près de quatre ans.
Tien Fak Tan, du SLAC, supervise les ingénieurs qui conçoivent les pièces du LCLS-II, une amélioration majeure du laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source du laboratoire. Son équipe relève également tous les défis qui se présentent pendant l’installation. Crédit : Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
” Ce qui est impressionnant chez Tien, c’est qu’il ne vient pas du monde des accélérateurs “, déclare Yeremian. “En très peu de temps, il a acquis une compréhension suffisante de la physique pour pouvoir élaborer des solutions d’ingénierie qui correspondent à ce dont l’accélérateur a besoin pour fonctionner.”
Pendant le projet LCLS-II, Ratcliffe et Tan ont travaillé en étroite collaboration. “Nous avons tous deux besoin l’un de l’autre à bien des égards pour que le projet soit couronné de succès “, dit Ratcliffe.
Mais ils ont également travaillé avec d’énormes équipes au-delà de leurs départements respectifs. “Nous ne sommes que deux des personnes qui travaillent sur l’accélérateur”, dit Tan. “Et ce projet mobilise tout le monde ici. Il faut vraiment beaucoup de monde.”
Assemblage d’un puzzle
Chaque section de l’accélérateur a des besoins et des défis différents, et Ratcliffe et Tan travaillent avec les responsables de section pour adapter leur expertise à chacun d’entre eux. Mme Yeremian a été particulièrement impressionnée par le travail de MM. Tan et Ratcliffe sur la section du LCLS-II qu’elle supervise, l’injecteur. Après que les particules ont émergé de la source d’électrons, cette section de 90 mètres de la machine multiplie leur énergie par 100, ce qui rapproche leur vitesse de celle de la lumière. L’injecteur est particulièrement encombré – de nombreuses pièces et assemblages doivent être assemblés dans un espace restreint.
Tan et Ratcliffe ont été confrontés à un défi de taille : Ils devaient s’assurer que toutes ces pièces s’ajustent correctement sans perturber la physique très précise nécessaire au fonctionnement de l’injecteur.
“Chaque jour, vous essayez essentiellement de donner un sens à un puzzle très intéressant”, dit Tan.
Même lorsque l’installation était en cours, M. Tan devait constamment intégrer de nouvelles informations sur la façon dont les plans de l’accélérateur se concrétisaient dans la réalité. Lorsque des pièces devaient être retouchées, lui et Ratcliffe ont travaillé ensemble et avec leurs équipes pour les fabriquer et les installer avec précision et efficacité.
“Ce qu’ils apprennent dans les systèmes en aval, je le mets à profit au niveau de l’injecteur”, dit Dian. “Ils ont transféré ce qu’ils ont appris dans ma section aux autres chefs d’équipe, et les autres chefs ont pu améliorer leurs sections grâce à cela.”
Construire un héritage
Toute cette résolution créative d’énigmes se déroule dans un environnement spécial : le tunnel de l’accélérateur vieux de 60 ans.
“Si vous entrez dans l’accélérateur après une averse, il fait chaud et humide “, dit Ratcliffe. “Il y a une odeur distincte. Pas une mauvaise odeur, mais je ne pense pas qu’on puisse la trouver ailleurs.”
Alors qu’une grande partie du tunnel a été modernisée au fil des ans, certaines des zones concernées par la mise à niveau du LCLS-II sont restées étrangement intactes avant que Tan et son équipe n’y entrent.
Dans certaines parties de l’accélérateur, les vieilles pièces ont été retirées pour faire de la place aux composants modernisés. Mais dans de nombreuses sections, l’équipement du nouvel accélérateur devait être intégré aux machines existantes qui sont toujours cruciales pour la recherche à SLAC.
“C’est comme la rénovation d’une maison historique, ce qui est plus difficile et plus excitant que de construire une maison à partir de zéro”, dit Ratcliffe. “Il y a beaucoup de choses vraiment cool que vous voulez garder, mais vous pourriez vouloir les moderniser. Ainsi, vous avez l’ancien et le nouveau tout combiné ensemble.”
Avec ce remodelage, Ratcliffe et Tan font partie d’un héritage de 60 ans de constructeurs d’accélérateurs au SLAC. “C’était plutôt cool d’entrer là-dedans et de voir toute l’histoire de toutes les choses sur lesquelles quelqu’un d’autre avait travaillé”, dit Tan. Vous essayez de comprendre comment un ingénieur pensait il y a 40 ou 50 ans et pourquoi il a construit les choses de la manière dont il les a construites”.a fait.”
Ratcliffe et Tan sont tous deux conscients que la machine sur laquelle ils ont travaillé si dur ces dernières années sera utilisée pour répondre à des questions fondamentales sur la physique. “C’est cool de pouvoir aider chaque jour par de petites choses, et d’une certaine manière, cela s’inscrit dans ce grand tableau”, dit Tan.
Maintenant que le nouvel accélérateur est presque terminé. La prochaine étape consiste à commencer à le refroidir aux températures cryogéniques nécessaires pour que la technologie supraconductrice se mette en marche avant qu’il ne produise sa première lumière cette année. “Vous voyez la lumière au bout du tunnel”, dit Ratcliffe.
Le LCLS est une installation d’utilisateur du DOE Office of Science.
SLAC est un laboratoire multi-programmes dynamique qui explore le fonctionnement de l’univers aux échelles les plus grandes, les plus petites et les plus rapides et invente des outils puissants utilisés par les scientifiques du monde entier. Avec des recherches couvrant la physique des particules, l’astrophysique et la cosmologie, les matériaux, la chimie, les sciences biologiques et énergétiques et l’informatique scientifique, nous aidons à résoudre des problèmes concrets et à promouvoir les intérêts de la nation. Le SLAC est exploité par l’université de Stanford pour le compte de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie.
