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Les lignes de faisceaux parfaites passent inaperçues
Entretien avec Luc Patthey
Luc Patthey est responsable de la conception et de la réalisation des lignes de faisceaux pour le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL. Dans cet entretien, il explique quelles sont les exigences auxquelles les lignes de faisceaux doivent satisfaire, si l'on veut que les impulsions de rayons X produites par le SwissFEL atteignent les expériences sous une forme optimale. Il évoque aussi le rôle joué par les coopérations dans le développement des lignes de faisceaux.
Le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL est actuellement en construction au PSI. Vous êtes responsable de la conception et de la réalisation des lignes de faisceaux. Qu'est-ce qu'une ligne de faisceaux et à quoi sert-elle ?
Le SwissFEL produira des impulsions de rayons X qui nous ouvrent de toutes nouvelles possibilités de recherche. Les lignes de faisceaux servent à transporter ces impulsions jusqu'à l'expérience. Des miroirs les dirigent dans la bonne direction et suivant les exigences de l'expérience, on confère aux lignes de faisceaux la forme nécessaire : on peut par exemple les concentrer ou encore varier leur longueur d'onde dans une zone prédéterminée. Chaque seconde, le SwissFEL produit quelque 100 impulsions de rayons X, et chacune de ces impulsions est différente. Elles sont donc mesurées une à une de manière aussi précise que possible, afin de garantir les propriétés nécessaires aux expériences. Le moment d'arrivée de l'impulsion de rayons X à la ligne de faisceau est enregistré, lui aussi.
Pourquoi est-ce important de connaître le moment d'arrivée de l'impulsion de rayons X à la ligne de faisceau ?
Cette information est nécessaire pour certaines expériences, dans le cadre desquelles un laser conventionnel active dans un échantillon le processus que l'on veut étudier; quelques femtosecondes plus tard, l'échantillon est irradié par une impulsion du laser à rayons X. Cela permet de découvrir ce qui s'est passé pendant cette femtoseconde. On peut ainsi observer, par exemple, des réactions chimiques qui étaient trop rapides pour les méthodes d'examen dont on disposait jusqu'ici. Coordonner les deux lasers avec l'exactitude nécessaire représente un immense défi. Pour que vous ayez une idée des dimensions temporelles auxquelles nous avons affaire ici : une femtoseconde, c'est le temps que met la lumière pour parcourir 0,0003 millimètres.
Ces exigences d'exactitudes élevées ne concernent-elles que l'installation proprement dite, ou aussi le bâtiment qui l'abrite ?
Elles concernent aussi le bâtiment. En raison des exigences de synchronisation, la température qui règne dans le canal de faisceau doit toujours être de 24°C et ne doit pas s'écarter de plus de 0,1°C. La plus petite dilatation ou la plus petite rétraction des matériaux perturberait notre
gestion du temps et déjouerait nos expériences.
Si les plus petites modifications des matériaux représentent un problème, le diagnostic ou la direction du faisceau avec tous leurs composants ne sont-ils pas porteurs, eux aussi, d'un certain potentiel d'interférence ?
Notre tâche est de veiller à ce qu'il n'arrive rien à ce niveau. La qualité de l'impulsion de rayons X et son déroulement dans le temps ne doivent être perturbés en aucun cas. La ligne de faisceau parfaite, c'est celle qui ne se voit pas. Il faut l'imaginer comme une paire de lunettes : quand on porte des lunettes, on ne voit pas leurs verres non plus. Cela a évidemment des conséquences au niveau de la précision avec laquelle nous devons construire les composants pour les lignes de faisceaux.
Quel degré de précision ces composants doivent-ils atteindre ?
Prenons les miroirs qui servent à diriger les impulsions de rayons X et dont nous avons déjà parlé : ils ont une longueur d'environ 80 centimètres et leur surface est parfaitement lisse à 3 nanomètres près. Voici une image pour bien comprendre ce que cela signifie : imaginez que vous vous rendiez de Saint-Gall à Genève et que vous ayez opté pour un trajet qui passe par le Cervin. Si la surface de la Suisse était aussi lisse que celle de notre miroir, vous n'auriez qu'une dénivellation de 3 millimètres à franchir et non la dénivellation réelle de 4500 mètres. Vous pouvez imaginer les exigences dont s'assortit la fabrication des miroirs : ces derniers sont polis pendant plusieurs mois.
Etant donné les exigences auxquelles doivent satisfaire les composants, comment se présente leur développement : le PSI fait-il tout seul dans ce domaine ou existe-t-il des coopérations ?
Les deux. Avec nos experts au PSI, il est clair que nous disposons déjà sur place d’un savoir-faire impressionnant. Mais pour la conception des lignes de faisceaux, nous nous inspirons évidemment aussi d'autres installations. L'échange international est soutenu et il existe un important soutien mutuel : nous coopérons avec nos collègues de DESY, la source de lumière synchrotron allemande, du laser à rayons X European XFEL, du laser à rayons X japonais SACLA ou encore du laser à rayons X américain LCLS. Il y a d’autres composants que nous construisons ici, au PSI, en collaboration avec des entreprises locales ou actives à l'étranger.
Le SwissFEL sera mis en service fin 2016. Au début, il ne devrait y avoir qu'une seule ligne de faisceau, mais une deuxième est déjà prévue. Pourquoi a-t-on besoin de deux lignes ?
Le SwissFEL produira deux sortes d'impulsions de rayons X : des impulsions de rayons X
durs avec une longueur d'onde courte, et des impulsions de rayons X
mous avec une longue d'onde plus longue. Autrement dit, les deux lignes de faisceaux du SwissFEL vont permettre de mener une grande diversité d'expériences. Cela nous permet de répondre de manière optimale aux besoins des chercheuses et chercheurs de Suisse, mais aussi d'autres pays.
Planifier et construire des lignes de faisceaux pour de nouveaux grands instruments de recherche, c'est une tâche qui n'est pas banale. Qu'est-ce qui vous plaît particulièrement dans votre travail ?
Chaque ligne de faisceau est unique et quand on les développe, on s'aventure sur un terrain en partie inconnu. Cet aspect de mon travail me plaît beaucoup. Mon inclination à s'avancer en terra incognita, je l'avais déjà là quand j'étais jeune garçon : la machine à laver de ma grand-mère est tombée en panne, je l'ai démontée et j'ai réussi à la réparer sans savoir au départ comment elle fonctionnait. La machine à laver a marché encore de nombreuses années par la suite. Ce plaisir de l'expérimentation et de la découverte m'est resté jusqu'à aujourd'hui et profite à présent à la réalisation des lignes de faisceaux pour le SwissFEL.
Entretien : Institut Paul Scherrer/Martina Gröschl