ANNEXE I

DESCRIPTION TECHNIQUE ET SCIENTIFIQUE

1. OBJET ET CHAMP D’APPLICATION DU PRÉSENT DOCUMENT

Le présent document décrit la finalité scientifique de l’ERIC Extreme Light Infrastructure (ERIC ELI) et les systèmes techniques que celui-ci offrira aux chercheurs. Les aspects spécifiques des installations qui seront mises à la disposition de l’ERIC ELI par les pays d’accueil sont décrits dans le présent document. Le présent document est fondamental pour déterminer le champ des «activités» de l’ERIC ELI et leur définition.

Il présente les objectifs scientifiques et la finalité scientifique de l’ERIC ELI. Dans les cas où cela est pertinent, il est fait référence au «livre blanc» de l’ELI, le principal document technique de l’ELI, établi avant la construction. Il est reconnu que certains aspects de la vision de l’ELI décrite dans ce document important sont toujours d’actualité; néanmoins, aux fins du présent document et de la création de l’ERIC ELI, seules les installations techniques mises à disposition par les membres d’accueil qui ont fondé l’ERIC sont décrites.

La portée scientifique actuelle y est résumée, ainsi que les aspects techniques des installations ELI. Le présent document indique également les aspects budgétaires et les échéanciers au début de la phase d’exploitation. Ces informations servent de référence pour les statuts de l’ERIC ELI, notamment l’article 22 «Engagements et ressources», et constituent la pierre angulaire des accords conclus entre l’ERIC ELI et les propriétaires des installations (institutions d’accueil) visant à mettre les installations ELI à la disposition de la communauté des utilisateurs. À ce titre, le présent document fait partie intégrante des statuts de l’ERIC ELI dès la formation initiale de l’ERIC ELI et constitue la référence en ce qui concerne le champ d’action et la mission des installations.

2. INTRODUCTION ET CONTEXTE

L’ERIC Extreme Light Infrastructure est une installation laser internationale consacrée à la recherche, dont l’objectif est de créer de nouvelles possibilités de recherche interdisciplinaire en utilisant la lumière extrême provenant des sources laser actuellement disponibles qui présentent la puissance de crête la plus élevée. Ces lasers ainsi que les rayonnements secondaires qu’ils émettent permettront de faire des découvertes sans précédent dans un large éventail de disciplines scientifiques et de créer des applications utiles pour la société.

Conformément au règlement (CE) no 723/2009 (1), l’ERIC ELI est une infrastructure de recherche implantée sur un même site et disposant de plusieurs lieux d’exploitation dans des États membres d’accueil en plus du lieu du siège. Les installations ELI seront établies sur deux sites, situés en Tchéquie et en Hongrie. Elles sont mises à la disposition de la communauté internationale des utilisateurs scientifiques.

En 2018, le prix Nobel de physique a été décerné à Gérard Mourou et Donna Strickland pour leurs travaux sur la technologie d’amplification à dérive de fréquence (CPA) des impulsions laser. Ce prix Nobel est spécial à bien des égards pour l’ELI, car il met opportunément en lumière la technologie sous-jacente qui rend possible la lumière laser extrême. Les installations ELI tireront profit de la technique CPA pour atteindre des niveaux de puissance de crête sans précédent (voir figure 1), ce qui ouvrira la voie à toute une série d’applications dans le domaine de la science fondamentale et produira des retombées positives pour la société.

L’objectif spécifique de l’ERIC ELI consiste à relever les deux «grands défis» énoncés à l’origine dans le livre blanc de l’ELI, qui restent d’actualité, à savoir:

— créer des installations à faisceaux à haute énergie et des rayons X à haute énergie: faisceaux énergétiques ultra-courts de particules (> 10 GeV) et de rayonnements (jusqu’à quelques MeV) énergétiques ultra-courts produits par des accélérateurs laser-plasma compacts,

— développer la science de l’attoseconde: cliché instantané à l’échelle de l’attoseconde de la dynamique des électrons dans les atomes, les molécules, les plasmas et les solides.

En particulier:

— l’installation ELI-Beamlines à Dolní Břežany (près de Prague), en Tchéquie, sera consacrée au développement de sources secondaires à impulsions courtes de rayonnement et de particules ainsi qu’à leurs applications pluridisciplinaires dans le domaine des sciences moléculaires et biomédicales, des sciences des matériaux, de la physique des plasmas denses et de la matière dense et chaude ainsi que de l’astrophysique expérimentale. En outre, l’installation utilisera ses lasers à haute puissance et à haute fréquence de répétition pour mener des expériences de physique à haut champ avec des intensités focalisées atteignant environ 1023 W/cm2, étudiant la physique des plasmas exotiques et les effets de l’électrodynamique quantique (QED) non linéaires, — l’ELI Attosecond Light Pulse Source (source d’impulsions lumineuses à l’échelle de l’attoseconde) (ELI-ALPS) à Szeged, en Hongrie, sera une installation unique en son genre, fournissant des sources de lumière dans une gamme de fréquences allant du térahertz (1012 Hz) aux rayons X (entre 1018 et 1019 Hz) sous la forme d’impulsions ultra-courtes à fréquence de répétition élevée. L’ELI-ALPS sera consacrée à la dynamique extrêmement rapide, en prenant des clichés instantanés à l’échelle de l’attoseconde (10–18 s) de la dynamique des électrons dans les atomes, les molécules, les plasmas et les solides. Elle mènera également des travaux de recherche à l'aide de lasers à ultra-haute intensité.

Les installations ELI fourniront quelques-uns des systèmes les plus puissants actuellement disponibles, produisant les impulsions les plus courtes. Plus précisément, l’ELI sera la première infrastructure consacrée à l’étude fondamentale de l’interaction laser-matière en régime ultra-relativiste (I > 1024 W/cm2). Les installations testent d’ores et déjà une nouvelle génération de lignes de faisceaux innovantes et très compactes produisant des faisceaux de particules et de rayonnements énergétiques dont la durée est comprise entre la femtoseconde (10–15 s) et l'attoseconde (10–18 s).

Grâce à cette variété d’activités de recherche, les installations ELI devraient produire d’importantes retombées sociétales et stimuler l’innovation à moyen et long terme, notamment en ce qui concerne l’amélioration des traitements oncologiques (faisceaux de rayonnement ionique), l’imagerie médicale et biomédicale, la nouvelle génération des technologies photoniques et la mise au point de nouvelles méthodes de traitement des déchets nucléaires par transmutation.

Au total, les installations ELI représentent une superficie de près de 54 000 m2, sur deux sites, et devraient compter jusqu’à 600 scientifiques, ingénieurs, techniciens et personnel de soutien.

Figure 1

Intensités focalisées maximales en fonction du temps (*1)

À l’origine, le «livre blanc» de l’ELI, présenté en 2011, exposait une vision de l’installation qui consistait à repousser les limites de la «lumière extrême» et de la technologie laser; celle-ci est toujours aussi pertinente:

«Aujourd’hui, les systèmes laser de haute puissance les plus performants sont caractérisés par une puissance de crête comprise entre un et deux pétawatts (PW) à des fréquences de répétition très faibles (inférieures au hertz), ce qui n’a pas changé depuis plus d’une [à présent deux] décennie[s]. Cependant, la majorité des systèmes de haute puissance se situent encore au niveau des 100 TW. L’ELI et les projets nationaux qui l’ont précédée, comme ILE et Vulcan-10 PW, permettront aux lasers individuels (modules) d’atteindre une puissance de crête de 10 PW ou de plusieurs dizaines de PW à des fréquences de répétition beaucoup plus élevées, ce qui constitue une évolution de plus d’un ordre de grandeur pour ces deux paramètres.»

Cette vision ouvre la voie à des systèmes laser de 100 PW encore plus puissants, combinés et cohérents, qui devraient voir le jour dans les futures installations ELI, fondés sur des technologies déployées pour la première fois dans les installations ELI. De tels systèmes laissent apparaître un nouveau type d’interaction, permettant pour la première fois d’aller au-delà de la physique atomique pour explorer des couches de matière présentant un intérêt pour la physique nucléaire, la physique des particules à haute énergie et l’astrophysique, des domaines traditionnellement étudiés avec des accélérateurs de particules à haute énergie. On s’attend à ce que l’ELI apporte une approche totalement nouvelle de l’étude de la physique fondamentale. L’intensité ultra-relativiste des lasers est l’essence même de l’ELI, permettant:

— de produire un champ électromagnétique maximal,

— à la lumière de déplacer la matière, les électrons et les ions à une vitesse relativiste,

— de générer un rayonnement à haute énergie, cohérent ou incohérent, de rayons X ou γ,

— de produire des impulsions beaucoup plus courtes que ce qui est actuellement possible, qui à terme seront encore plus courtes que la gamme des attosecondes.

Ces quatre caractéristiques uniques, seules ou combinées, offrent un nouvel ensemble de puissants outils dynamiques structurels.

3. INSTALLATIONS ELI EN LIEN AVEC L’ERIC EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE

L’accès aux installations ELI sera concurrentiel, international et ouvert aux utilisateurs dans les pays membres et non membres, en vertu de l’article 2, paragraphe 2, point a), des statuts de l’ERIC ELI et de la politique d’accès des utilisateurs de l’ERIC ELI, telle que définie à l’article 6 des statuts de l’ERIC ELI, ainsi que des principes établis dans la charte de l’Union européenne pour l’accès aux infrastructures de recherche (2). Tous les accès accordés à des utilisateurs («accès des utilisateurs») sont soumis à un examen par les pairs. L’ERIC ELI veillera à fournir un point d’accès commun aux utilisateurs répondant à un appel à propositions unifié, incluant toutes les capacités disponibles des installations ELI de manière intégrée.

D’un point de vue scientifique, l’accès est «ouvert», ce qui signifie que les installations ELI sont ouvertes aux chercheurs potentiels provenant de pays membres, mais également de pays non membres. Les propositions sont concurrentielles et l’accès «ouvert» signifie également que toute personne peut consulter et examiner les données et les utiliser dans des publications.

Outre l’accès «ouvert», il existe également un accès «propriétaire», qui est payé par l’utilisateur et, de ce fait, les résultats, sous la forme de données, peuvent être la propriété de l’utilisateur et être «fermées».

Enfin, il y aura également des possibilités d’accès en fonction des objectifs d’une «mission». Il peut s’agir de recherches thématiques menées dans des disciplines spécifiques, mais aussi de développement technologique impliquant une collaboration en matière d’innovation et de passation de marchés. La formation et l’éducation en matière de capacités constituent une priorité pour les membres et l’espace européen de la recherche, mais ces activités peuvent également s’étendre au-delà des pays membres.

Les membres d’accueil s’engagent à mettre les installations ELI à la disposition de l’ERIC ELI dans le cadre de leur contribution. Cette contribution à titre gracieux fournie par des membres d’accueil sert l’intérêt public et les coûts de l’investissement requis pour la construction ne sont pas amortis ou pris en compte dans les coûts de fonctionnement. Le concept de disponibilité n’exige pas, n’implique pas et n’exclut pas un transfert de propriété des installations, en partie ou en totalité. D’après la définition convenue entre l’ERIC ELI et ses membres d’accueil, la notion de disponibilité dans ce contexte spécifique désigne le plein accès aux installations concernées ainsi que le contrôle et la responsabilité desdites installations. Elle est juridiquement réglementée par des accords spécifiques relatifs à l’exploitation des installations conclus entre l’ERIC ELI, le membre d’accueil et, le cas échéant, les propriétaires des installations ELI.

Ces accords portent sur leur exploitation, leur soutien et leur gestion et se référeront directement aux statuts de l’ERIC ELI pour établir leur base juridique. Ils tiennent compte des engagements, des responsabilités et des obligations préexistants, y compris ceux définis dans le cadre des projets exécutifs des Fonds structurels et d’investissement européens (ci-après dénommés les «Fonds ESI»). Les accords sont examinés plus en détail dans le modèle des activités de gestion de l’ERIC ELI et couvrent deux types d’étapes relatives à la disponibilité:

— les étapes techniques – décrites ci-dessous, concernant des séries d’instruments et des stations expérimentales spécifiques, en état de marche et prêts à être utilisés, recommandées par un comité d’examen comprenant des experts indépendants et approuvées par l’AG de l’ERIC ELI,

— les étapes organisationnelles – définies indépendamment pour chaque installation ELI.

Cette approche doit être cohérente avec l’objectif énoncé dans les statuts de l’ERIC ELI consistant à fonctionner comme une entité légale unique et à évoluer dans une direction similaire à celle d’autres infrastructures de recherche de premier plan, c’est-à-dire vers une organisation et une gestion intégrées uniques, telles que définies à l’article 3, paragraphe 1, des statuts de l’ERIC ELI.

Les sections suivantes fournissent une description détaillée de chaque installation ELI et en définissent également le caractère scientifique et technique essentiel. Il s’agit d’un fondement important pour l’approche décrite ci-dessus concernant la mise à disposition des installations ELI. Elles présentent également les dates auxquelles les utilisateurs auront accès à chaque installation («accès des utilisateurs»), ainsi que les coûts estimés de leur exploitation future pour les trois premières années, jusqu’aux deux premières années de la «phase d’état stable» incluses. Ces sections décrivent brièvement le statut juridique actuel de chaque installation ELI et la manière dont cela peut avoir une influence sur l’accès à l’ERIC ELI à l’avenir.

4. ELI ATTOSECOND LIGHT PULSE SOURCE (ELI-ALPS)

L’installation ELI Attosecond Light Pulse Source (ELI-ALPS), à Szeged (Hongrie), mettra à la disposition de la communauté internationale, au sein de l’ERIC ELI, une large gamme de sources de rayonnement et de particules, émettant, de manière à garantir la stabilité des spécifications et un fonctionnement robuste, des impulsions énergétiques ultra-courtes et un rayonnement cohérent dans la gamme des attosecondes (10–18 s). Il s’agit d’une installation, créée sur un même site vierge, qui occupe plus de 24 000 m2 et qui devrait employer environ 200 personnes.

L’installation ELI-ALPS est actuellement détenue et construite par ELI-HU Non-Profit Ltd (ELI-HU), une entreprise publique indépendante à but non lucratif, détenue à 90 % par l’État hongrois et à 10 % par des parties prenantes locales. L’ELI-HU jouit d’une autonomie totale et d’une personnalité juridique en Hongrie.

4.1. Structure technique et sources

La mission première de l’installation de recherche ELI-ALPS de Szeged est de mettre une large gamme de sources de lumière ultra-courtes à la disposition des groupes d’utilisateurs de la communauté scientifique internationale. Des sources secondaires pilotées par laser émettant des rayonnements cohérents dans l’extrême ultraviolet (EUV) et des rayons X cohérents, qui sont confinés dans des impulsions d’une durée de l’ordre de l’attoseconde, constituent une initiative de recherche majeure de l’infrastructure. Un objectif secondaire de l’installation est de contribuer aux progrès scientifiques et technologiques nécessaires pour concevoir des lasers à haute intensité de crête et à haute puissance moyenne.

Tableau 1

Paramètres de performance prévus pour les sources laser de l’ELI-ALPS à la sortie du laser

SOURCES LASER PRIMAIRES Puissance de crête Puissance moyenne Énergie d’impulsion Durée de l’impulsion Fréquence de répétition ELI-ALPS HR1 [source laser à fréquence de répétition élevée] > 0,13 TW > 0,16 TW 100 W 80 W > 1 mJ > 0,8 mJ < 2,2 cycles < 1,9 cycle 100 kHz HR2 [source laser à fréquence de répétition élevée] > 1 TW 500 W > 5 mJ < 1,8 cycle (< 6 fs) 100 kHz MIR [source laser dans l’infrarouge moyen] > 3,6 GW 15 W > 0,15 mJ < 4 cycles (< 42 fs) 100 kHz MIR HE [source laser à haute énergie dans l’infrarouge moyen] mise à niveau prévue ~ 0,5 TW 15 W ~ 15 mJ à 3 μm ~ 20 mJ à 1,5 μm ~ 3 cycles (30 fs) 1 kHz SYLOS2 [source laser à cycle unique] > 5 TW 35 W > 35 mJ < 2,2 cycles (< 7 fs) 1 kHz SYLOS3 [source laser à cycle unique] mise à niveau prévue ~ 15 TW 120 W ~ 120 mJ ~ 2,5 cycles (~ 8 fs) 1 kHz SYLOS Experiment Alignment [source laser à cycle unique] 3 TW 0,4 W > 40 mJ < 12 fs 10 Hz HF PW [source laser de classe PW à haut champ] > 2 PW 340 W 34 J 17 fs 10 Hz THz Pump [pompe THz] > 1 TW 25 W > 500 mJ 0,5 ps 50 Hz

L’installation ELI-ALPS fournit aux utilisateurs, dans les domaines de la recherche scientifique et des applications industrielles, des impulsions laser primaires, en combinaison avec une panoplie impressionnante d’impulsions de lumière et de particules secondaires synchronisées. Parmi les caractéristiques remarquables des paramètres de la source, on peut citer:

— des impulsions de quelques cycles, dont les fréquences vont des térahertz/infrarouges aux pétahertz/ultraviolet, ayant une fréquence de répétition impressionnante, comprise entre 10 Hz et 100 kHz,

— des impulsions attosecondes, des impulsions ultraviolettes extrêmes et des impulsions de rayons X mous et durs ayant une fréquence de répétition comprise entre 10 Hz et 100 kHz et des énergies d’impulsion comprises entre quelques μjoules et quelques millijoules,

— des sources de particules relativistes et ultra-relativistes et des sources de rayons X spatialement cohérents, avec une durée d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde,

— des formes d’impulsions ultra-relativistes contrôlées présentant un contraste ultra-élevé à une fréquence de répétition de quelques hertz et kilohertz.

Une mission parallèle de l’ELI-ALPS est de contribuer, aux côtés de l’autre installation ELI, aux progrès technologiques en vue de mettre au point des lasers à puissance de crête élevée et à puissance moyenne élevée, notamment dans le domaine de l’attoscience et des applications connexes. L’existence parallèle d’impulsions attosecondes et de lasers de pointe, notamment de lasers de classe PW, au sein d’une même installation offre des possibilités uniques d’études par résolution temporelle de l’interaction non relativiste et relativiste de la lumière avec les quatre états de la matière.

L’installation ELI-ALPS est spécifiquement axée sur la stimulation, grâce à un effet d’entraînement, d’applications industrielles, en tenant également compte des répercussions importantes potentielles sur son territoire environnant, qui accueillera un grand parc scientifique.

Tableau 2

Étapes à franchir par l’ELI-ALPS concernant les sources laser

DISPONIBILITÉS DES SOURCES LASER DE L’ELI-ALPS DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS HR1 [SOURCE LASER À FRÉQUENCE DE RÉPÉTITION ÉLEVÉE] 10.2017 Disponible (0,8 mJ; < 1,9 cycle) 11.2021 (spécifications complètes) HR2 [SOURCE LASER À FRÉQUENCE DE RÉPÉTITION ÉLEVÉE] 3.2021 5.2021 MIR [SOURCE LASER DANS L’INFRAROUGE MOYEN] 10.2017 Disponible MIR HE [SOURCE LASER À HAUTE ÉNERGIE DANS L’INFRAROUGE MOYEN] – MISE À NIVEAU PRÉVUE 10.2022 1.2023 SYLOS2 [SOURCE LASER À CYCLE UNIQUE] 3.2019 Disponible SYLOS3 [SOURCE LASER À CYCLE UNIQUE] – MISE À NIVEAU PRÉVUE 10.2022 1.2023 SYLOS EXP ALIGNMENT [SOURCE LASER À CYCLE UNIQUE] 12.2018 Disponible HF PW [SOURCE LASER DE CLASSE PW À HAUT CHAMP] 5.2018 10.2021 THZ PUMP [POMPE THZ] 1.2021 3.2021

4.2. Stations expérimentales

Figure 2

Plan des stations expérimentales de l’ELI-ALPS

L’ELI-ALPS propose de nombreuses impulsions laser ultra-courtes de haute intensité à la pointe de la technologie, en combinaison avec des sources secondaires ultramodernes et des stations terminales avancées pour les utilisateurs, qui créeront un environnement exceptionnel pour la recherche scientifique fondamentale et appliquée. Dès sa création, l’ELI-ALPS jouera un rôle de premier plan à l’échelle planétaire dans certains domaines:

— la science des électrons de valence et de cœur – la dynamique des électrons de valence et de cœur dans les petits systèmes peut être suivie et contrôlée de manière individuelle grâce à des interactions d’impulsions attosecondes,

— la visualisation de la dynamique structurale ultrarapide et des effets de corrélation – la combinaison de sources à impulsions ultra-courtes et à courtes longueurs d’onde permet de visualiser la dynamique des charges dans des systèmes complexes et (fortement) corrélés,

— la dynamique ultrarapide des surfaces et de la matière condensée – les sources attosecondes à haute fréquence de répétition, allant au-delà de l’état actuel de la technique, associées à une station terminale sophistiquée pour les utilisateurs de NanoEsca, ouvrent des possibilités uniques dans les domaines de la science des surfaces et de la science de la matière condensée,

— l’attoscience des plasmas – des impulsions relativistes à quelques cycles ou des impulsions PW avec un contraste spatial et temporel supérieur seraient utilisées pour étudier, optimiser et appliquer des processus d’émission sous-cycliques afin d’étudier la dynamique relativiste des surfaces, la mise en forme des impulsions relativistes, la radiobiologie, etc.,

— la recherche sur les rayonnements THz – des sources d’impulsions THz à haute intensité et ultra-courtes, avec une intensité de champ électrique de crête sans précédent (jusqu’à 5 MV/cm) et une énergie d’impulsion de 1 mJ, seront disponibles dans la gamme de fréquences de 0,1 à 2 THz.

La combinaison unique des sources de rayonnement à haute fréquence de répétition de l’ELI, couvrant le spectre électromagnétique des rayons X à l’infrarouge lointain et aux térahertz, rend cette installation très attrayante pour la recherche sur les systèmes complexes et appliqués. Les domaines de recherche appliquée comprennent les nouvelles sources attosecondes, les nouvelles sources de particules, la nanotechnologie, le patrimoine culturel, l’imagerie biologique et les applications biomédicales telles que la tomographie avancée à contraste de phase et la spectroscopie multidimensionnelle.

Tableau 3

Étapes à franchir par l’ELI-ALPS concernant les sources secondaires

SOURCES SECONDAIRES DE L’ELI-ALPS DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS GHHG HR1 & 2 GAS (LTA4) [LIGNE DE FAISCEAU EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN GAZ SUR DES MOLÉCULES À L’ÉTAT GAZEUX PILOTÉE PAR LES LASERS HR1 ET HR2] 8.2018 12.2021 (HR1) 7.2021 (HR2) GHHG HR1 & 2 CONDENSED (LTA3) [LIGNE DE FAISCEAU EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN GAZ SUR LES MATIÈRES CONDENSÉES PILOTÉE PAR LES LASERS HR1 ET HR2] 10.2020 12.2021 (HR1) 7.2021 (HR2) GHHG SYLOS COMPACT (LTA2) [LIGNE DE FAISCEAU COMPACT EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN GAZ PILOTÉE PAR LE LASER SYLOS] 3.2020 7.2021 GHHG SYLOS LONG (LTA1) [LIGNE DE FAISCEAU LONG EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN GAZ PILOTÉE PAR LE LASER SYLOS] 1.2021 2.2022 SHHG SYLOS (MTA) [LIGNE DE FAISCEAU EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN SOLIDE PILOTÉE PAR LE LASER SYLOS] 11.2021 1.2023 SHHG HF (HTA) [LIGNE DE FAISCEAU EXPLOITANT UNE SOURCE DE GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ DANS UN SOLIDE PILOTÉE PAR LE LASER HF] 6.2022 1.2023 MIR HE GENERATED ATTO [LIGNE DE FAISCEAU PRODUISANT DES IMPULSIONS ATTOSECONDES PILOTÉE PAR LE LASER MIR HE] – MISE À NIVEAU PRÉVUE 1.2023 4.2023 THZ SPECTROSCOPY (THZ) [SPECTROSCOPIE THZ] 10.2019 2.2020 THZ HIGH ENERGY (THZ) [LIGNE DE FAISCEAU PRODUISANT DES IMPULSIONS THZ À HAUTE ÉNERGIE] 7.2021 12.2021 ELECTRON – SYLOS (MTA) [LIGNE DE FAISCEAU D’ÉLECTRONS PILOTÉE PAR LE LASER SYLOS] 12.2021 4.2022 ELECTRON – PW (HTA) [LIGNE DE FAISCEAU D’ÉLECTRONS PILOTÉE PAR LE LASER DE CLASSE PW] – MISE À NIVEAU PRÉVUE 1.2023 4.2023 ION BEAMLINE [LIGNE DE FAISCEAU D’IONS] – MISE À NIVEAU POSSIBLE 9.2023 12.2024





Tableau 4

Étapes à franchir par l’ELI-ALPS concernant les stations expérimentales

STATIONS EXPÉRIMENTALES DE L’ELI-ALPS DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS MICROSCOPE À RÉACTION 6.2021 9.2021 STATION TERMINALE DU SPECTROMÈTRE D’IMAGERIE DE VITESSE (VMI) 8.2020 10.2020 STATION CONSACRÉE À LA MATIÈRE CONDENSÉE (NANOESCA) 12.2019 6.2020 (indépendante) 7.2021 (avec les attosecondes) SPECTROMÈTRE D’ÉLECTRONS DE TYPE BOUTEILLE MAGNÉTIQUE 4.2021 12.2021 NANOSCIENCE ET NANOFABRICATION 6.2018 12.2019 IMAGERIE DE LA SOURCE BÊTATRON – MISE À NIVEAU PRÉVUE 4.2023 12.2023 STATION DE CONTRÔLE DES RÉACTIONS CHIMIQUES 6.2020 8.2020 STATION TERMINALE À JET DE LIQUIDE 4.2022 8.2022 SPECTROSCOPIE MULTIDIMENSIONNELLE (FEMTOBIOLOGIE) – MISE À NIVEAU PRÉVUE 8.2021 12.2021 STATION DE PHYSIQUE À HAUT CHAMP (ZONE CIBLE DES IMPULSIONS PW) 12.2022 2.2023 RADIOBIOLOGIE/BIOMÉDECINE 8.2018 2.2020

Le tableau ci-dessus énumère les stations qui devraient être mises à la disposition de l’ERIC ELI dans le cadre de sa politique d’«accès des utilisateurs» dans les années à venir. Il s’agit des étapes techniques fondamentales que doivent franchir l’ELI-ALPS et la Hongrie en tant que pays d’accueil lié à l’ERIC ELI. Les stations devraient être disponibles à des dates différentes. Une fois que l’accès à la dernière station expérimentale a été ouvert aux utilisateurs, on considère que l’installation est entrée dans la «phase d’état stable». En outre, le tableau ci-dessus présente les mises à niveau de l’installation prévues, qui feront l’objet d’un examen et d’une étude ultérieurs de la part de l’ERIC ELI.

Lorsque les sources laser primaires et les sources accélératrices commenceront à être mises en service, les premiers groupes d’utilisateurs contribueront à la caractérisation des sources et à l’achèvement de la construction des stations expérimentales. Ces activités sont gérées et amorcées directement par l’ELI-ALPS. Les premiers lasers (MIR, HR1) étant devenus opérationnels fin 2017, les premiers groupes d’utilisateurs internationaux responsables de la mise en service [la Fondation pour la recherche et la technologie (FORTH) en Grèce, l’École polytechnique fédérale (ETH) de Zurich, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) en France, l’université hébraïque, l’université de Fribourg, l’université d’Aarhus, l’université de Limoges, l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) de Garching, l’université Friedrich Schiller d’Iéna, l’Institut des sciences et technologie de Gwangju en Corée du Sud, l’Institut de recherche Wigner en Hongrie] ont déjà pu bénéficier d’une assistance pour la mise en service.

Une fois que chaque station expérimentale aura passé le cap de la mise en service et entrera en service, soutenue par une source primaire et/ou secondaire fonctionnelle, le programme d’accès des utilisateurs pourra débuter et l’ERIC ELI pourra commencer à recevoir des propositions pour ces stations.

La confirmation et l’acceptation de chaque station expérimentale seront contrôlées et un «test d’acceptation opérationnelle» (Operational Acceptance Review) formel sera mené par des experts indépendants, des experts de l’ELI-ALPS et des experts de l’autre installation ELI, qui confirmeront que les stations peuvent être mises à la disposition des utilisateurs et qui adresseront une recommandation officielle à l’ISTAC et à l’assemblée générale de l’ERIC ELI.

4.3. Modes d’accès des utilisateurs et modes de fonctionnement

Le mode d’accès sera connu des utilisateurs provenant d’autres installations laser et de recherche de pointe. Les expériences devraient être menées sur plusieurs jours et, dans certains cas, sur plusieurs semaines. L’installation a pour objectif global d’être disponible [220 jours/an x 8 heures/jour] pour un total de 1 760 heures/an.

4.4. Aspects relatifs à l’exploitation et à la relation entre l’ERIC ELI et l’ELI-ALPS

Même si l’ERIC ELI est chargé de gérer l’accès à l’installation ELI-ALPS au fur et à mesure de sa mise à disposition, l’infrastructure physique de l’installation est détenue et sera, dans un premier temps, gérée directement par l’ELI-HU Non-Profit Ltd (ELI-HU). Il s’agit d’une «organisation de recherche» aux fins des règles en matière d'aides d’État à la recherche et au développement.

Outre les étapes techniques et scientifiques importantes énumérées ci-dessus, il existe également des étapes organisationnelles liées à l’intégration globale de l’ELI-ALPS dans l’ERIC ELI. Ces étapes organisationnelles sont énumérées dans le tableau ci-dessous.

Tableau 5

Étapes envisagées pour la transition organisationnelle de l’ELI-ALPS

MODÈLE D’ORGANISATION INTÉGRÉE DE L’ELI-ALPS 2020 2021 2022 GOUVERNANCE X X X POLITIQUE SCIENTIFIQUE X X X ACCÈS DES UTILISATEURS — X X BUDGET — X X POLITIQUE EN MATIÈRE D’EMPLOI — — X GESTION DES TECHNOLOGIES — — X GESTION DES INSTALLATIONS — — X ASPECTS JURIDIQUES ET QUESTIONS DE RESPONSABILITÉ — X X ACTIVITÉS ADMINISTRATIVES — X X

Dans le cas de l’ELI-ALPS, les activités seront transférées vers l’ERIC ELI sur une période de deux ans au moins, certaines activités étant transférées à la fin de la période. En tenant compte des étapes techniques énumérées pour les stations expérimentales, le plan de transition global peut être déterminé.

Le tableau ci-dessous présente les coûts estimés, relatifs à l’accès des utilisateurs, au sein de l’ELI-ALPS pour exploiter l’installation pour l’ERIC ELI à partir de la période 2020-2021, c’est-à-dire la période de transition. Il s’agit de la période au cours de laquelle la responsabilité de la gestion des responsabilités, des ressources et des actifs devrait être transférée de l’ELI-HU à l’ERIC ELI.

Tableau 6

Estimation des coûts d’accès à l’ELI-ALPS

(en EUR) ELI-ALPS 2020 2021 2022 2023 2024 Coûts directs de personnel 1 729 009 2 950 040 3 590 338 3 782 380 Coûts directs des équipements 2 425 972 3 766 587 5 098 323 5 371 024 Coûts de personnel + coûts des équipements 4 154 981 6 716 627 8 688 661 9 153 404 Personnel + équipements en %/total 27 % 37 % 42 % 42 % Coûts indirects 11 249 019 11 281 373 12 194 339 12 846 596 Coûts totaux à l’ELI-ALPS 15 404 000 17 998 000 20 883 000 22 000 000

5. ELI BEAMLINES (ELI-BL)

L’installation ELI-Beamlines (ELI-BL) à Dolní Břežany, près de Prague (Tchéquie) souligne, par son nom même, sa capacité à prendre en charge des expériences multiples et différentes pour un éventail d’utilisateurs, en mettant à leur disposition diverses raies laser. Elle est conçue pour offrir des capacités à haute énergie et à fréquence de répétition élevée. Il s’agit d’une installation créée sur un même site vierge, qui occupe plus de 30 000 m2 et qui devrait employer entre 200 et 300 personnes chargées de l’assistance aux utilisateurs.

L’installation est détenue et gérée par l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences, qui jouit d’une autonomie totale et d’une personnalité juridique en Tchéquie en tant qu’organisme public de recherche.

5.1. Structure technique et sources

Tableau 7

Paramètres de performance prévus pour les sources laser de l’ELI-BL

SOURCES LASER PRIMAIRES Puissance de crête Énergie d’impulsion Durée de l’impulsion Fréquence de répétition ELI-BL L1 > 5 TW 100 mJ < 20 fs 1 kHz L2 OPCPA, Dual color [bicolore] 100 TW ≥ 3 J OPCPA/1 mJ MIR ≤ 20 fs 20 Hz L3 ≥ PW ≥ 30 J ≤ 30 fs 10 Hz L4f 10 PW ≥ 1,5 kJ ≤ 150 fs 1 tir par min L4n ≥ 1,5 kJ ns 1 tir par min L4p ≤ 1 PW 150 J 150 fs à 150 ps 1 tir par min Astrella 6 et 10 mJ 20 fs 1 kHz Bio-laser stabilisation de la phase de l’enveloppe porteuse (CEP) à 6 mJ 20 fs 1 kHz





Tableau 8

Dates repères pour l’accès aux lignes de faisceaux de l’ELI-BL

SOURCES LASER DE L’ELI-BL DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS L1 1.2018 12.2019 (30 mJ) 12.2020 (50 mJ) 12.2021 (100 mJ) L2 1.2022 6.2022 L3 11.2017 7.2018 (0,4 PW) 12.2019 (1 PW) L4F 9.2018 6.2020 L4N 9.2018 1.2021 L4P 6.2022 12.2022 ASTRELLA 2.2018 4.2018 BIO-LASER 4.2018 6.2018

L’accent est mis sur les applications possibles dans différents domaines d’intérêt sociétal, tels que la médecine ou la biologie. L’ELI-BL, ainsi que le centre HiLASE qui lui est associé (également détenu et géré par l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences), consacré au développement et au transfert des technologies laser et servant déjà de pôle d’attraction pour les sociétés et les entreprises créées par essaimage (spin-offs) dans différents secteurs d’activité installées dans la région dite STAR (Science and Technology Advanced Region, c’est-à-dire une région développée sur le plan des sciences et des technologies) entourant l’installation ELI-BL, créent un environnement favorable à une coopération intensive entre la recherche et l’industrie.

5.2. Stations expérimentales

Figure 3

Configuration des stations expérimentales de l’ELI-BL

Les impulsions lumineuses ultra-courtes et ultra-intenses et les particules générées par l’interaction avec des matériaux cibles à l’état solide et gazeux permettront de réaliser un large éventail de projets de recherche fondamentale et appliquée dans le domaine de la chimie, de la biologie, des technologies médicales, du développement de nouveaux matériaux et dans d’autres domaines. Les activités de recherche au sein de l’installation ELI-BL sont structurées en six halls expérimentaux.

Tableau 9

Sources/lignes de faisceaux secondaires de l’ELI-BL et étapes à franchir par l’ELI-BL

SOURCES SECONDAIRES DE L’ELI-BL SOURCE DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS E1: SOURCES DE RAYONS X HHG 2.2018 1.2019 E1: SOURCES DE RAYONS X PXS 3.2018 4.2019 E2: SOURCES DE RAYONS X Bêtatron 6.2019 11.2019 E2: SOURCES DE RAYONS X – MISE À NIVEAU FINANCÉE Compton 1.2020 12.2020 E5: SOURCES LASER DE RAYONS X ÉQUIPÉES D’UN ONDULEUR LUIS 3.2019 6.2020 E4: ACCÉLÉRATION D’IONS ELIMAIA 11.2018 10.2019 E5: ACCÉLÉRATION D’ÉLECTRONS HELL 1.2019 3.2020





Tableau 10

Stations expérimentales de l’ELI-BL et étapes à franchir par l’ELI-BL

STATIONS EXPÉRIMENTALES DE L’ELI-BL STATION DÉBUT DE LA MISE EN SERVICE ACCÈS DES UTILISATEURS E1: APPLICATIONS BIOMOLÉCULAIRES ET POUR LES MATÉRIAUX MAC 4.2018 1.2019 E1: APPLICATIONS BIOMOLÉCULAIRES ET POUR LES MATÉRIAUX Trex 6.2018 5.2019 E1: APPLICATIONS BIOMOLÉCULAIRES ET POUR LES MATÉRIAUX SRS 6.2018 3.2019 E1: APPLICATIONS BIOMOLÉCULAIRES ET POUR LES MATÉRIAUX ELIps 9.2018 3.2019 E2: SOURCES DE RAYONS X – MISE À NIVEAU FINANCÉE Station Compton 7.2021 7.2022 E5: SOURCES LASER DE RAYONS X ÉQUIPÉES D’UN ONDULEUR Station LUIS 3.2019 6.2021 E3: PLATEFORME DE PHYSIQUE DES PLASMAS P3 9.2018 10.2020 E4: ACCÉLÉRATION D’IONS ELIMED 11.2018 1.2021 E5: ACCÉLÉRATION D’ÉLECTRONS Station ELBA 1.2019 7.2021

Le hall expérimental E1 accueille des sources secondaires pilotées par laser et des stations terminales expérimentales destinées à des applications en sciences moléculaires et biomédicales et en sciences des matériaux. Les expériences exploiteront des faisceaux laser de photons synchronisés dans le domaine du rayonnement ultraviolet du vide (UVV) et des rayons X durs [High Harmonics Source (source d’harmoniques élevées) – une source kHz d’impulsions ultraviolettes extrêmes (UVE) ultra-courtes émises dans un faisceau cohérent à faible divergence – et Plasma X-ray Source (source de rayons X issus de plasmas) – impulsions femtosecondes de rayons X dans le domaine spectral compris entre 4 et 30 keV].

Les instruments comprennent:

— MAC: chambre multifonctionnelle destinée aux sciences atomiques, moléculaires et optiques et à l’imagerie par diffraction cohérente,

— ELIps: ellipsomètre dans l’ultraviolet du vide (UVV) pour les expériences en régime sub-picoseconde (ps); une station terminale consacrée aux matériaux irradiés par des rayons ultraviolets du vide (UVV) et des rayons X mous,

— station terminale consacrée aux rayons X durs: une station modulaire pour les expériences résolues en temps telles que la diffusion, la diffraction, la spectroscopie et l’imagerie par rayons X,

— sondes optiques et faisceaux de pompe: une station avancée consacrée à la spectroscopie optique, y compris la diffusion Raman stimulée; la source d’une large gamme de faisceaux de pompe synchronisés allant des ultraviolets aux infrarouges et aux térahertz.

Le hall expérimental E2 est consacré aux faisceaux de rayons X ultrarapides, brillants et durs. Un laser de classe PW à une fréquence de répétition de 10 Hz sera disponible. Une série de paramètres peuvent être ajustés, notamment l’intensité du laser, la taille et la durée du point laser et la densité électronique dans le gaz. Les électrons sont accélérés à des énergies relativistes et agités par le plasma lui-même (source Bêtatron) ou par une deuxième impulsion laser (source Compton). Des faisceaux femtosecondes intenses de rayons X ou de rayons gamma sont émis par une source de taille micrométrique. Les utilisateurs peuvent demander un rayonnement de spectre étroit (dispersion d’énergie de 10 %) ou à large bande dans un domaine spectral allant des kiloélectronvolts à quelques mégaélectronvolts.

La plateforme de physique des plasmas située dans le hall expérimental E3 est une infrastructure expérimentale multifonctionnelle conçue pour effectuer des recherches sur les interactions laser-plasma et laser-matière, principalement sur les sujets suivants:

— la physique à haute densité d’énergie (HEDP),

— la matière dense et chaude (WDM),

— l’étude optique des plasmas (PO),

— l’astrophysique expérimentale (LA),

— l’interaction à ultra-haute intensité (UHI).

La zone expérimentale E4 permet aux utilisateurs de tester différents échantillons au moyen de sources d’ions accélérés par des lasers grâce à sa section réservée au transport de faisceaux d’ions et à la dosimétrie, ainsi que d’étudier les systèmes innovants d’accélération des ions par laser qui peuvent être installés dans la chambre d’interaction flexible. La ligne de faisceau ELIMAIA permettra aux utilisateurs d’étudier des applications multidisciplinaires qui utilisent des faisceaux d’ions pilotés par laser, telles que la radiobiologie in vitro et les études précliniques dans le cadre de la coopération internationale liée au projet ELIMED (ELI-Beamlines MEDical and multidisciplinary applications).

Le hall expérimental E5 contient la ligne de faisceau LUIS et est destiné aux utilisateurs intéressés par l’irradiation de plusieurs échantillons par les techniques les plus avancées. Il héberge également la plateforme ELBA, une zone expérimentale flexible réservée aux utilisateurs qui souhaitent tester des concepts innovants et utiliser les technologies les plus avancées pour accélérer des électrons à l’aide de lasers pour atteindre des ordres de grandeur d’énergies multi-GeV.

Au-delà du champ d’action initial de l’installation ELI-BL, le tableau ci-dessus présente également les améliorations des capacités et les mises à niveau déjà financées de l’installation par l’intermédiaire de projets spécialement conçus, à savoir ADONIS, HIFI et ELIBIO, qui feront l’objet d’un réexamen et d’études ultérieurs de la part de l’ERIC ELI.

La confirmation et l’acceptation de chaque station expérimentale seront contrôlées et un «test d’acceptation opérationnelle» (Operational Acceptance Review) formel sera mené par des experts indépendants, des experts de l’ELI-BL et des experts de l’autre installation ELI, qui confirmeront que les stations peuvent être mises à la disposition des utilisateurs et qui adresseront une recommandation officielle à l’ISTAC et à l’AG de l’ERIC ELI.

5.3. Modes d’accès des utilisateurs et modes de fonctionnement

Le mode d’accès sera connu des utilisateurs provenant d’autres installations laser et de recherche de pointe. Les expériences devraient être menées sur plusieurs jours et, dans certains cas, sur plusieurs semaines. L’installation a pour objectif global d’être disponible [220 jours/an x 8 heures/jour] pour un total de 1 760 heures/an.

5.4. Aspects relatifs à l’exploitation et à la relation entre l’ERIC ELI et l’ELI-BL

Même si l’ERIC ELI est chargé de gérer l’accès à l’installation ELI-BL au fur et à mesure de sa mise à disposition, l’infrastructure physique de l’installation est détenue et sera, dans un premier temps, gérée directement par l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences, qui jouit d’une autonomie totale et d’une personnalité juridique en Tchéquie. Il s’agit d’une «organisation de recherche» aux fins de l’octroi des aides d’État à la recherche et au développement.

Outre les étapes techniques et scientifiques importantes énumérées ci-dessus, il existe également des étapes organisationnelles liées à l’intégration globale de l’ELI-BL dans l’ERIC ELI. Ces étapes organisationnelles sont énumérées dans le tableau ci-dessous et décrites de manière détaillée dans l’appendice «Modèle des activités de gestion».

Tableau 11

Étapes envisagées pour la transition organisationnelle de l’ELI-BL

MODÈLE INTÉGRÉ DE L’ELI-BL 2020 2021 2022 GOUVERNANCE X X X POLITIQUE SCIENTIFIQUE X X X ACCÈS DES UTILISATEURS — X X BUDGET — X X POLITIQUE EN MATIÈRE D’EMPLOI — — X GESTION DES TECHNOLOGIES — — X GESTION DU SITE — — X ASPECTS JURIDIQUES ET QUESTIONS DE RESPONSABILITÉ — X X ACTIVITÉS ADMINISTRATIVES — X X

La Tchéquie s’engage à faire en sorte que les capacités des installations ELI-BL soient pleinement mises à la disposition de l’ERIC ELI.

Le tableau ci-dessous présente les coûts estimés au sein de l’ELI-BL, relatifs à l’accès des utilisateurs, pour exploiter l’installation pour l’ERIC ELI à partir de la période 2020-2021, c’est-à-dire la période de transition. Il s’agit de la période au cours de laquelle la responsabilité de la gestion des responsabilités, des ressources et des actifs devrait être transférée de l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences à l’ERIC ELI.

Tableau 12

Estimation des coûts d’accès à l’ELI-Beamlines

(en EUR) ELI-BL 2020 2021 2022 2023 2024 Coûts directs de personnel 4 892 490 5 577 230 5 928 203 5 936 667 Coûts directs des équipements 7 831 675 7 565 111 7 428 934 7 439 541 Coûts de personnel + coûts des équipements 12 724 165 13 142 341 13 357 138 13 376 209 Personnel + équipements en %/total 51 % 52 % 53 % 53 % Coûts indirects 12 342 835 11 999 659 11 856 862 11 873 791 Coûts totaux à l’ELI-BL 25 067 000 25 142 000 25 214 000 25 250 000

6. COÛTS ESTIMÉS

Pour déterminer les conditions nécessaires en vue d’atteindre la viabilité à long terme, il importe de détailler les coûts et les sources de financement possibles. Conformément aux statuts de l’ERIC ELI, les principes généraux de l’utilisation des installations ELI sont décrits en détail dans une politique autonome approuvée par l’AG et la répartition des contributions des membres aux coûts de fonctionnement est établie à l’annexe II, définissant ainsi les conditions préalables requises afin d’éviter un déséquilibre important et durable entre l’utilisation et les contributions en espèces ou en nature de chaque membre.

Dans la liste qui suit, les éléments de base servant à définir les coûts sont présentés et peuvent être regroupés dans les catégories suivantes:

1) construction – les dépenses en capital (CAPEX) avant l’exploitation;

2) exploitation – les dépenses de fonctionnement (OPEX) liées aux accès soumis à un examen par les pairs;

3) futures mises à niveau – les nouveaux investissements (CAPEX) nécessaires pour améliorer les spécifications et les instruments disponibles afin de faire face à la concurrence et de répondre aux exigences des utilisateurs.

Le texte qui suit insiste sur certains aspects des points 1 (construction) et 2 (exploitation).

6.1. Construction

La valeur totale des investissements (coûts de construction) des installations ELI sera d’environ 556 millions d’EUR durant la phase de construction, comme il est exposé dans le tableau 13.

Tableau 13

Coûts de construction des installations ELI

(en milliers d’EUR) RUBRIQUE ELI-BL ELI-ALPS ELI BÂTIMENT + TERRAIN 94 643 88 705 183 348 TECHNOLOGIES 181 876 105 435 287 311 SERVICES 7 601 9 788 17 389 PERSONNEL 41 206 27 484 68 690 TOTAL 325 326 231 412 556 738

Ces coûts sont entièrement pris en charge par les pays d’accueil, au moyen des Fonds ESI et de financements nationaux, selon les projets, qui ont été approuvés et contrôlés par les autorités de gestion nationales. Environ 25 % des investissements ont été consacrés aux bâtiments, 65 % aux technologies et 10 % au personnel et aux services. Du point de vue de l’ERIC ELI, ces coûts sont non recouvrables et ne seront pas pris en compte dans les coûts de fonctionnement de l’ERIC ELI. Aucun investissement initial ni aucun coût de construction ne sera financé par les contributions, qui sont exclusivement réservées à l’exploitation initiale, à la phase d’état stable et aux mises à niveau.

6.2. Exploitation

L’engagement pris par les membres d’accueil permet aux autres membres n’accueillant pas les installations de définir une approche progressive en ce qui concerne leurs engagements futurs et d’assurer la pérennité de l’ERIC ELI à plus long terme, sur la base des contributions des membres:

Tableau 14

Estimation des coûts de fonctionnement des installations ELI à la charge de l’ERIC ELI

(en EUR) Coûts de fonctionnement de l’ERIC ELI 2020 2021 2022 2023 2024 Coûts directs de personnel 6 621 499 8 527 271 9 518 542 9 719 048 Coûts directs des équipements 10 257 647 11 331 697 12 527 257 12 810 565 Coûts indirects 23 591 854 23 281 032 24 051 201 24 720 387 Total pour les installations ELI 40 471 000 43 140 000 46 097 000 47 250 000 Siège de l’ERIC ELI 500 000 2 551 000 2 564 000 2 600 000 2 600 000 Total pour l’ERIC ELI 500 000 43 022 000 45 704 000 48 697 000 49 850 000

L’adhésion de membres qui n’accueillent pas les installations pendant la phase d’exploitation initiale permet d’augmenter progressivement les contributions après la création de l’ERIC ELI et de décider du montant définitif des contributions et de leurs engagements à verser des contributions peu après sa création. Cette adhésion anticipée permet aux futurs membres de participer à l’élaboration des règles de base relatives à l’exploitation des installations ELI, tout en augmentant les engagements financiers dans un premier temps.

Les coûts de fonctionnement prévisionnels de l’ERIC ELI figurent ci-dessus; ils sont adaptés aux étapes qu’il reste à franchir. Il s’agit probablement de l’estimation la plus élevée en ce qui concerne les coûts relatifs aux accès des utilisateurs au cours de la période d’exploitation initiale, selon que les étapes sont franchies ou non. Les estimations doivent être établies et contrôlées une fois par an pendant la durée de la phase d’exploitation initiale.

6.3. Futures mises à niveau

Les coûts de fonctionnement de l’ERIC ELI ne tiennent pas compte des futures mises à niveau des systèmes laser et des installations. Ils englobent les coûts de fonctionnement, y compris les coûts des pièces de rechange et de la maintenance.

Les systèmes laser avancés connaissent une évolution rapide et il est communément admis qu’un développement continu sera nécessaire pour maintenir la compétitivité. À cette fin, des projets de mise à niveau spécifiques seront proposés par la direction de l’ERIC ELI et une analyse sera menée au bout de cinq ans et dix ans pour comprendre les évolutions potentielles et leurs coûts. Des campagnes de mise à niveau spécifiques seront organisées pour répondre aux besoins d’investissement en capital et pour déterminer les sources d’investissement en capital.

7. ÉVOLUTION ET OBJECTIFS

La création de l’ERIC Extreme Light Infrastructure représente un progrès important, non seulement pour la communauté de chercheurs dans le domaine des lasers en Europe, mais aussi pour l’ensemble de l’espace européen de la recherche. La technologie laser est un domaine à la fois bien établi et qui évolue rapidement. Au fur et à mesure qu’il se développe, ce domaine devient de plus en plus pertinent pour des applications scientifiques et il est déjà extrêmement important sur le plan de la compétitivité européenne.

L’ERIC Extreme Light Infrastructure générera des avantages considérables pour la société dans des domaines tels que l’amélioration des thérapies cliniques contre le cancer, l’imagerie biomédicale ainsi que le traitement des matières et des déchets nucléaires. En outre, l’ERIC ELI aidera l’industrie européenne de la photonique et offrira des possibilités d’éducation et de formation aux nouveaux scientifiques et ingénieurs travaillant dans la photonique et dans les domaines de recherche dont l’étude a été rendue possible grâce aux lasers.

L’ERIC Extreme Light Infrastructure est indispensable pour soutenir les initiatives à l’échelle européenne visant à préserver la compétitivité dans le domaine très stratégique des systèmes laser de haute puissance et à impulsions courtes ainsi que dans les domaines scientifiques et d’innovation qui le composent. L’évolution importante des technologies laser indique que ce secteur est en bonne posture pour bouleverser radicalement les plateformes scientifiques et industrielles existantes à grande échelle dans un avenir à moyen et long terme. Mais avant que cela ne se produise, l’ERIC ELI doit démontrer sa capacité à fonctionner de manière durable.

7.1. Évolution des sciences et des technologies laser

L’Europe a pris le pas sur l’Asie et l’Amérique du Nord pour ce qui est des installations et des centres de recherche dans le domaine des lasers de haute puissance. Il apparaît clairement que ces installations et centres sont fortement concentrés en Europe, principalement en raison de l’auto-organisation des différents instituts et pays impliqués via des programmes de l’Union européenne qui apportent un soutien et confèrent une portée stratégique à ce domaine depuis plusieurs décennies.

Les réussites scientifiques dans le domaine des systèmes laser de haute puissance et l’enthousiasme que ce domaine suscite ont conduit à une augmentation du nombre d’installations européennes au cours de la dernière décennie. S’il existe un certain nombre de facteurs à l’origine de cette évolution, elle coïncide clairement avec l’augmentation du nombre de laboratoires laser nationaux au sein du réseau européen LaserLab Europe financé par la Commission européenne (www.laserlab-europe.net). Selon ce site web, le consortium rassemble actuellement 33 organisations de premier plan spécialisées dans la recherche interdisciplinaire axée sur les lasers, situées dans 16 pays. Parmi ces organisations, 22 installations offrent un accès à leurs laboratoires aux chercheurs en Europe et au-delà.

Figure 4

Carte du monde de 2016 établie par le Comité international sur les lasers à ultra-haute intensité (ICUIL) montrant l’étendue mondiale du déploiement des installations laser de classe PW

Source: C. P. J. (Chris) Barty, laboratoire national Lawrence-Livermore.

Le succès précoce de LaserLab Europe sert de base pour que l’ERIC continue de développer la communauté européenne des lasers. Autre aspect tout aussi important, l’ERIC ELI permettra de créer de nouvelles capacités et d’attirer l’attention d’autres disciplines scientifiques. Sur la base du succès des laboratoires nationaux du domaine des lasers, l’ERIC ELI a acquis une expertise et des connaissances et a procédé à des validations de principe. Une communauté d’utilisateurs s’est développée et des investissements importants ont été réalisés, ce qui favorise également le développement d’entreprises européennes pour construire l’ERIC ELI et d’autres installations de classe PW. La poursuite de la coopération au sein de la communauté est essentielle pour que l’Europe préserve sa compétitivité et son rôle de chef de file dans ce domaine.

La découverte de l’amplification à dérive de fréquence (CPA), puis de l’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA), sur les systèmes ELI a permis d’accroître de 6 à 8 ordres de grandeur la puissance de crête des impulsions laser, soit une croissance de 4 ordres de grandeur au-dessus du niveau où l’énergie de vibration des électrons est égale à leur énergie de masse au repos (ou 1 018 W/cm2 de l’électron). Ces avancées ont ouvert la voie à l’étude de l’interaction relativiste laser-plasma et de la physique subatomique, y compris la physique nucléaire et la physique des particules. Les futurs développements de l’ERIC ELI pourraient réellement rivaliser avec les accélérateurs les plus puissants au monde, à un coût très inférieur et avec des techniques plus traditionnelles, pour les applications ciblées qui nécessitent des gradients d’accélération élevés, comme la radiothérapie des tumeurs en milieu hospitalier, où les contraintes de coûts et d’espace ont leur importance.

En matière de développement technologique, l’ERIC ELI mettra fortement l’accent sur les domaines de collaboration essentiels recensés par l’ELI et les principaux partenaires de LaserLab. Les principaux goulets d’étranglement qui entravent le fonctionnement fiable et rentable des systèmes de classe PW et des installations seront abordés avec l’industrie en vue de les surmonter. Non seulement cela aura un effet positif sur l’industrie européenne dans ce domaine, sur l’espace européen de la recherche et sur le réseau actuel de partenaires de LaserLab, mais cela conduira également directement à l’exploitation durable des installations ELI, en garantissant leur fiabilité de niveau mondial.

Figure 5

Nombre de systèmes laser de classe pétawatt mis en service chaque année, classés en fonction du continent dans lequel ils se trouvent (*2)

La physique est claire et le défi consiste à développer la technologie. Un certain nombre de technologies génériques seront mises au point par l’ELI, en collaboration avec l’industrie et d’autres centres de recherche de premier plan, notamment des composants optiques de nouvelle génération.

7.2. Objectifs organisationnels de l’ERIC ELI

7.2.1. Commencer l’exploitation

Les ressources cumulées de l’ERIC ELI et l’attention portée à l’ERIC ELI auront des répercussions profondes et à long terme sur la science dans ce domaine ainsi que sur le progrès technologique. Toutefois, le premier objectif est pragmatique et localisé: il consiste à mettre en place et fusionner simultanément la gestion de deux installations et intégrer efficacement les ressources.

Conformément au règlement (CE) no 723/2009, l’ERIC ELI est une infrastructure de recherche implantée sur un même site et disposant de plusieurs lieux d’exploitation dans des États membres d’accueil en plus du lieu du siège. S’il existe d’autres organisations scientifiques implantées sur plusieurs sites, très peu de projets européens ont été construits sur un site vierge dans différents pays à l’aide de fonds structurels dans le but de ne former qu’une seule infrastructure de recherche. En outre, il n’existe pas de grandes installations laser mises à la disposition des utilisateurs. L’ERIC ELI devra d’abord assurer le fonctionnement de ces installations avant de se préoccuper d’intérêts plus larges. Il s’agit d’un défi technique et managérial.

7.2.2. Instaurer une collaboration

Le deuxième objectif est de déterminer les possibilités de créer des synergies techniques entre les principaux centres européens de lasers de haute puissance et à courte impulsion. Auparavant, les lasers de haute puissance de classe PW étaient difficiles à utiliser dans un environnement avec des utilisateurs: ils présentaient des problèmes de fiabilité et le remplacement de leurs composants était onéreux. Ensemble, les installations ELI disposeront à elles seules de plus de 30 PW de puissance.

Avec des partenaires dans des installations nationales en France, en Allemagne, en Espagne, au Royaume-Uni et en Italie (tous membres de Laserlab Europe), l’ERIC ELI rassemblera la plus grande concentration d’installations laser de haute puissance et à courte impulsion les plus avancées de l’histoire. Il n’y a pas vraiment de comparaison possible, puisque l’ambition est de créer une collaboration sans précédent pour identifier les composants et les processus qui empêchent le fonctionnement des lasers de classe PW et pour trouver des solutions et des approches standard concernant leur exploitation.

En collaborant les unes avec les autres, et avec l’industrie, les installations devraient pouvoir économiser sur leurs coûts de fonctionnement, jusqu’à 30 % dans certains cas, et accroître la disponibilité des faisceaux pour accorder jusqu’à 90 % du temps de faisceau aux utilisateurs. Cela offre la possibilité de réaliser des économies d’échelle et de gamme particulièrement appréciables, ce qui permet d’accomplir d’importants progrès technologiques dans un court laps de temps. Ces progrès auront une résonance mondiale dans toute l’industrie du laser.

7.2.3. Se forger une réputation

La troisième ambition est de démontrer scientifiquement les performances et le potentiel des systèmes de l’ERIC ELI au début de la phase d’exploitation du programme scientifique. Les installations ELI, en prenant appui sur l’expérience d’autres installations partenaires, essaieront d’allouer aux utilisateurs 80 % des heures d’utilisation des installations prévues d’ici à 2021, en exploitant 90 % de leurs systèmes laser primaires, dont la plupart ont une fréquence de répétition élevée à moyenne.

En comparaison, les lasers de classe PW à la pointe de la technologie sont aujourd’hui capables d’effectuer plusieurs tirs par heure et l’ERIC ELI ainsi que certaines de ses installations partenaires viseront à les faire fonctionner à des fréquences de l’ordre du hertz et des multiples du hertz. Cela est d’autant plus remarquable que l’ERIC ELI exploite dans certains cas des lasers au premier rang mondial de par leurs performances. Les premiers appels permettront de réaliser des expériences à ces fréquences de répétition élevées, donnant lieu à des travaux communs et à la production de cibles pour les utilisateurs.

Ces expériences ne conduiront pas seulement à des découvertes révolutionnaires, mais elles permettront également que les sources secondaires atteignent des performances record au niveau mondial, telles que l’accélération par champ de sillage, qui fournit des énergies de l’ordre de plusieurs gigaélectronvolts. De telles expériences contrôlées et révolutionnaires, au début de la vie des installations, combinées à de vastes activités de sensibilisation et de diffusion, susciteront un vif intérêt pour l’ERIC ELI et pour la science des lasers en général. Cela aura un impact sur l’ensemble de la science des lasers en Europe et dans le monde, menant à de nombreuses applications pratiques, telles que les thérapies avancées contre le cancer et la transformation des déchets nucléaires dangereux. L’ambition est de démontrer ce potentiel et de créer une base croissante et durable en vue de soutenir l’ERIC ELI ainsi que l’ensemble du domaine de la science des lasers en Europe.

7.2.4. Créer de l’innovation

L’incidence de l’ERIC ELI sur l’innovation et les technologies de l’industrie laser ne s’arrêtera pas à la fin de la phase de construction. Le défi qui se pose actuellement pendant la phase d’exploitation est d’assurer un développement technologique durable. L’ELI établira des relations à long terme avec des partenaires industriels pour résoudre les problèmes liés à l’approvisionnement en composants clés et au développement technologique continu, en mettant l’accent sur la pérennité de l’exploitation.

En ce qui concerne les relations avec l’industrie, l’un des défis sera d’entamer un dialogue avec les fournisseurs afin de cerner les contraintes liées à l’amélioration des produits ou aux processus d’atténuation des risques (grande disponibilité des pièces de rechange, fournisseurs multiples...), notamment dans la perspective d’un fonctionnement durable des installations ELI sur le long terme.

Le développement technologique résultant des exigences de l’ERIC ELI se poursuivra pendant la phase d’exploitation. On peut citer, par exemple:

— les composants optiques clés des lasers de haute puissance/à fréquence de répétition élevée. Les systèmes optiques de transport et de focalisation, ainsi que les réseaux de diffraction et les matériaux actifs, doivent être perfectionnés pour pouvoir supporter pendant une longue période des impulsions à haute énergie et à haute puissance de crête, sur de grands diamètres de faisceau, et ce pour un grand nombre de tirs,

— la métrologie de faisceaux larges et d’impulsions courtes. Il est nécessaire de trouver des solutions innovantes pour mesurer les performances des systèmes pour des impulsions courtes et des faisceaux larges, afin de mieux comprendre les résultats scientifiques exceptionnels qui pourront être obtenus avec les installations ELI,

— le contrôle total de systèmes complexes. Les systèmes expérimentaux doivent garantir les performances et le bon fonctionnement. Des systèmes de contrôle intelligents et complètement reliés par interface sont nécessaires.

Les installations ELI se concentreront sur les collaborations avec des partenaires industriels capables de révolutionner les technologies actuelles avec des solutions innovantes. Le contenu novateur ne se concentrera pas uniquement sur l’aspect technique à court terme, mais il abordera également les questions de viabilité de la solution à long terme, afin de faire en sorte que l’ERIC ELI puisse bénéficier des meilleures performances, du temps de fonctionnement le plus long et du contrôle le plus efficace possible des coûts de maintenance. Les résultats scientifiques uniques de l’ERIC ELI s’appuieront, à long terme, sur les solutions technologiques les plus durables dans le domaine des lasers à haute puissance de crête.

7.2.5. Incidence dans les pays d’accueil

L’une des principales raisons d’investir dans l’ERIC ELI et de l’implanter dans les pays d’Europe centrale est de doter ces régions d’un centre de recherche et de technologie de grande valeur. De nombreuses études portant sur d’autres infrastructures de recherche indiquent qu’une grande partie des retombées de l’investissement et de l’innovation se produiront dans un rayon de 100 km autour de l’installation, ce qui montre que la proximité a son importance. Les conséquences attendues incluent:

— les retombées directes des investissements – les pays d’accueil devraient recevoir entre 50 et 80 % des coûts de fonctionnement de la part des autres membres, ce qui signifie que les investissements devraient avoir des retombées directes sur l’économie locale. L’ELI assurera le suivi de ces retombées et en rendra compte. On s’attend à ce que plus de 50 % de cette somme soit dépensée dans la région locale, touchant deux zones différentes de l’Europe centrale,

— davantage de possibilités pour les chercheurs nationaux/locaux – les installations ELI se trouvent toutes dans des villes universitaires (Prague, Szeged). Chaque université, consciente des développements à venir au sein de l’ERIC ELI, prévoit d’y envoyer des étudiants et des universitaires par l’intermédiaire de programmes en vue de profiter de cette proximité. Dans le cadre de ce projet, il existe des activités spécifiques visant à solliciter les chercheurs locaux, de sorte que, dans les 10 ans suivant la création de l’ERIC ELI, chaque pays devrait disposer de chercheurs éminents dans ce domaine,

— davantage de possibilités d’innovation pour l’industrie locale – outre les retombées directes découlant des investissements décrites ci-dessus, la proximité des installations favorisera l’innovation d’au moins deux manières, et ce de façon quantifiable. Tout d’abord, les entreprises compétentes y verront une occasion à saisir et approcheront l’installation de manière proactive, soit pour vendre des produits, soit pour essayer de comprendre comment adapter leur offre à l’installation. Grâce à des événements de «sensibilisation de l’industrie», les équipes chargées de la passation des marchés et les agents de liaison industrielle contribueront à faciliter le partage d’informations sur les installations. En outre, dans certains domaines, il peut être avantageux pour les installations d’avoir un fournisseur local pour des raisons stratégiques. Cela peut s’expliquer par les faibles coûts dans la région et, plus vraisemblablement, par la proximité et le fait d’avoir facilement accès aux fournisseurs pour adapter les solutions techniques.

8. PRINCIPAUX RISQUES

8.1. Analyse des risques

Tableau 15

Évaluation des risques de haut niveau concernant la mise en œuvre des installations de l’ERIC ELI

Risques potentiels Probabilité Faible 1-5 Élevée Incidence Faible 1-5 Élevée Prévention/atténuation Attrait du personnel et rémunération compétitive – il est possible que l’ERIC ELI éprouve des difficultés à attirer des experts «éminents sur le plan international» pour qu’ils rejoignent son personnel. 4 5 Recrutement actif, contrats à durée déterminée, possibilités en matière de recherche, initiatives relatives à la «qualité de vie» Risque technique de ne pas atteindre les paramètres clés – l’ELI risque de ne pas atteindre certains paramètres de performance clés, ce qui pourrait empêcher la réalisation de certaines expériences. 3 3 Planification et dialogue avec la communauté d’utilisateurs et l’ISTAC pour répondre aux attentes et définir d’autres priorités expérimentales Hausse des salaires au cours des cinq premières années – les salaires au sein de l’ERIC ELI augmenteront sensiblement, de 5 à 10 % par an, en raison de la dynamique du marché du travail local. 5 3 Planification et dialogue avec le personnel pour définir les attentes Obsolescence des équipements/composants – la technologie à l’intérieur des systèmes laser évoluera très rapidement dans l’année à venir et l’ELI risque de ne pas être compétitive si elle n’a aucune dépense en capital en cours. 3 4 Planification sous la forme d’une feuille de route technologique; recherche de sources de financement complémentaires Mauvaises premières expériences des utilisateurs – préjudices causés dès le début par a) le mauvais fonctionnement des installations, b) le manque de soutien du personnel ou c) une mauvaise communication/gestion des attentes. Cela peut provoquer un bouche-à-oreille négatif au sein de la communauté des chercheurs et les utilisateurs peuvent mettre beaucoup de temps à adopter ces services. 3-4 4-5 Travailler dès le début en étroite collaboration avec des «utilisateurs bienveillants», réaliser des enquêtes auprès des utilisateurs, prévoir des «coordinateurs d’utilisateurs» pour leur fournir des services de «conciergerie» Incapacité à intégrer avec succès les installations ELI – en raison de problèmes de gestion/gouvernance, la fusion organisationnelle est retardée ou a échoué. Cela entraîne une augmentation des coûts et porte atteinte à l’intégrité et à la réputation de l’ERIC ELI. 2 5 Suivi étroit de la gestion, ateliers de formation et de «gestion des changements» soutenus à un haut niveau, ressources spéciales et attentes raisonnables en matière de délais

(1) Règlement (CE) no 723/2009 du Conseil du 25 juin 2009 relatif à un cadre juridique communautaire applicable à un Consortium pour une infrastructure européenne de recherche (ERIC) (JO L 206 du 8.8.2009, p. 1).

(*1) La technologie CPA et la technologie laser à l’état solide ont permis d’atteindre une intensité de crête actuelle allant au-delà de 1022 W/cm2. L’ERIC ELI augmentera cette intensité de plus d’un ordre de grandeur. Cette figure représente également l’expérience SLAC E144 (point bleu), qui a permis d’atteindre une intensité élevée en stimulant l’interaction laser-matière dans un régime relativiste. Les lignes horizontales indiquent l’intensité de l’énergie pondéromotrice Up (vibration) d’un électron à une longueur d’onde de 800 nm émise par un laser (Ti:Sapphire), lorsque Up est égale à une unité atomique et pour que Up soit égale à la masse au repos de l’électron, ou indiquent l’objectif ultime de l’intensité de Schwinger Y = 1, où le vide devient instable et où la lumière est convertie en matière. Source: Gérard Mourou, École Polytechnique.

(2) https://op.europa.eu/s/pcrm

(*2) Ce graphique comprend les installations opérationnelles et les installations en construction. Source: J. Collier, installation laser centrale du laboratoire Rutherford.