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SwissFEL - la machine: L’accélérateur linéaire
Dans l’accélérateur linéaire, le faisceau d’électrons acquiert l’énergie cinétique nécessaire, afin de produire les rayons X. La longueur de l’accélérateur linéaire- est de plus de 300 mètres – il est constitué de 11752 disques de cuivre de forme bien spécifique, dans lesquels est produit le champ d’accélération.
L’accélération des électrons se fait en plusieurs étapes – les électrons sont accélérés dans un premier palier puis comprimés, puis ils se dirigent vers un deuxième palier ou le processus d’accélération est poursuivi. Entre les sections d’accélération, deux chicanes magnétiques vont comprimer les paquets d’électrons.
L’accélérateur linéaire (injecteur non-compris), comporte 104 structures montées en série. Chaque structure (de 2 m de longueur) comporte 113 disques de cuivre empilés, appelés « tasses », une cavité apparait entre chaque tasses. Pour satisfaire aux exigences de fonctionnement, ces disques qui sont au nombre de 11752 au total, nécessitent une extrême précision d’usinage, les tolérances se limitant à des fractions de millimètre.
Arrière plan : accélération: champ électrique dans les cavitésDans l’installation SwissFEL les électrons sont accélérés à l’aide de champs électriques. On peut se représenter un champ électrique comme un espace dans lequel une force agit sur des particules chargées électriquement - comme des électrons par exemple, en les accélérant. Il est pratiquement impossible de produire un champ électrique continu pour obtenir l’accélération souhaitée pour SwissFEL, il faudrait une tension continue de plusieurs milliards de volts. Par conséquent, le champ électrique doit être alternatif et se propager avec les électrons. Le champ électrique alternatif est envoyé dans les structures accélératrices et va entrer en résonance avec la géométrie de la structure. II s’agit donc de coordonner le mouvement du paquet d’électrons avec ces variations de champ pour que les électrons soient toujours positionnés sur une crête du champ d’accélération.
Dans l’accélérateur linéaire les électrons sont accélérés par une onde électromagnétique. Les électrons ne doivent voir que la partie du champ électrique qui accélère dans la bonne direction (champ alternatif). Les paquets d’électrons, injectés dans l’accélérateur, ont déjà subi une accélération en amont dans l’injecteur et sont déjà à une vitesse à peine inférieure à celle de la lumière. Comme la vitesse de la lumière est la plus grande vitesse possible, les électrons ne peuvent pas dépasser ce seuil. Pour accélérer les électrons, il suffit de synchroniser les électrons avec la crête de l’onde électromagnétique d’accélération qui elle se déplace a la vitesse de la lumière. On peut comparer cela à un surfer qui reste toujours sur la crête de la vague et qui se déplace ainsi avec la vague. A la fin le gain en vitesse reste limité, mais celui en énergie cinétique est conséquent - et cela est décisif pour la génération de rayons X dans l’installation SwissFEL.