Le laser à rayons X SHINE de la Chine produit sa première lumière, Shanghai vise une mise en service en 2027

Un faisceau de 4 GeV rapproche un grand projet de Shanghai de sa mise en service

Le centre de recherche SHINE, situé à Shanghai, a produit sa première lumière laser à électrons libres à l’aide d’un faisceau d’électrons de 4 gigaélectronvolts (GeV), soit la moitié de l’énergie prévue pour l’accélérateur achevé. L’université ShanghaiTech a annoncé cette avancée le 21 octobre, marquant une étape importante vers l’objectif du projet : être achevé et entrer en service d’ici à la fin de 2027.

Cette première lumière a été produite avec 18 modules d’ondulateur, longs de 4 mètres chacun et dotés d’un motif magnétique qui se répète tous les 55 millimètres. Ensemble, ils constituent 72 mètres de structures magnétiques qui guident les électrons rapides sur une trajectoire sinueuse, les amenant à émettre une lumière qui s’amplifie jusqu’à former une intense impulsion laser.

SHINE, acronyme de Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, est conçu pour aider les scientifiques à étudier des structures à l’échelle du nanomètre et des changements qui se produisent en quelques femtosecondes. Un nanomètre correspond à un milliardième de mètre ; une femtoseconde, à un millionième de milliardième de seconde. Ces échelles permettent aux chercheurs d’étudier les structures minuscules et les mouvements rapides des atomes et des molécules.

La construction a commencé en avril 2018. Une fois achevé, l’accélérateur linéaire supraconducteur devrait atteindre 8 GeV, et certains modes de fonctionnement délivrer jusqu’à un million d’impulsions de rayons X par seconde. Les deux premières lignes d’ondulateurs devraient couvrir des énergies de photons comprises entre 0,2 et 15 kiloelectronvolts (keV).

Cette avancée immédiate consiste à produire de la lumière laser pendant la mise en service, le processus qui consiste à rendre les équipements opérationnels et à vérifier leurs performances. Les expériences de routine destinées aux chercheurs invités restent prévues dans le cadre de la transition vers la mise en service en 2027. ShanghaiTech n’a pas annoncé de date d’ouverture précise ni de calendrier de candidature pour les chercheurs.

Comment le mouvement des électrons produit un laser à rayons X

SHINE utilise des électrons plutôt que le matériau producteur de lumière que l’on trouve dans de nombreux lasers courants. Son accélérateur linéaire fournit de l’énergie à ces électrons, puis les envoie dans des ondulateurs, où des champs magnétiques alternés les font osciller et émettre un rayonnement.

Les électrons et le rayonnement interagissent pendant leur passage dans les modules successifs. Dans certaines conditions, les électrons se regroupent en minuscules paquets qui émettent de concert, renforçant la lumière jusqu’à former une puissante impulsion. L’énergie des électrons et l’espacement des structures magnétiques contribuent à déterminer l’énergie des photons produits, les particules individuelles qui composent la lumière.

La valeur de 4 GeV désigne le faisceau d’électrons utilisé pour produire la première lumière. La plage de 0,2 à 15 keV correspond aux photons attendus des deux premières lignes. Il s’agit de mesures portant sur différentes parties de la machine : ici, le GeV désigne les particules qui alimentent le processus, tandis que le keV correspond aux rayons X produits pour les expériences.

SHINE utilise un accélérateur supraconducteur à onde continue. Les composants supraconducteurs fonctionnent à très basse température et transportent des courants électriques avec une résistance très faible. Le fonctionnement à onde continue permet aux champs radiofréquence de l’accélérateur d’opérer sans interruption et de produire des paquets d’électrons rapprochés, plutôt que de fonctionner par salves très espacées.

Trois lignes de faisceau aux plages d’énergie différentes

La première phase dans son ensemble est plus vaste que l’équipement utilisé pour cette première lumière. L’article de 2024 sur l’avancement du projet, présenté à la Conférence internationale sur les accélérateurs de particules, décrit trois lignes d’ondulateurs, trois lignes de transport des rayons X et 10 stations expérimentales, couvrant une plage de référence de 0,4 à 25 keV pour l’énergie des photons.

FEL-I est conçu pour une plage de 3 à 15 keV, FEL-II de 0,4 à 3 keV et FEL-III de 10 à 25 keV. FEL-II produit les rayons X de plus faible énergie, ou les plus « mous ». Les deux autres lignes produisent des rayons X plus durs, dont l’énergie photonique est plus élevée et la longueur d’onde plus courte.

La plage de 0,2 à 15 keV mentionnée dans la dernière annonce concerne les deux premières lignes. La plage de référence plus étendue, de 0,4 à 25 keV, inclut FEL-III. L’article de 2024 décrit également une dérivation supplémentaire qui acheminerait un faisceau d’électrons de 5 GeV vers FEL-II et étendrait sa production jusqu’à 0,2 keV.

Le même article prévoit 42 ondulateurs plans pour FEL-I et 32 pour FEL-II, ainsi que quatre ondulateurs en aval permettant de régler la polarisation, c’est-à-dire la direction dans laquelle oscille le champ électrique de la lumière. Les 18 modules utilisés pour la première lumière constituent une configuration de mise en service parmi celles prévues pour l’installation complète.

Les performances varient également selon les lignes. La conception prévoit pour FEL-I et FEL-II des impulsions d’environ 30 femtosecondes et des fréquences de répétition pouvant atteindre 1 MHz, soit un million d’impulsions par seconde. Une étude technique de 2023 indique que FEL-III pourrait atteindre 0,1 MHz, soit 100 000 impulsions par seconde.

Ce que les scientifiques pourraient observer avec des impulsions aussi brèves

Les sciences de la vie, les matériaux quantiques et les recherches sur les énergies du futur comptent parmi les domaines auxquels SHINE est destiné. L’association d’échelles spatiales minuscules et de temps d’exposition très courts est au cœur de ces ambitions : les chercheurs veulent comprendre à la fois l’organisation de la matière et la manière dont celle-ci évolue.

Une brève impulsion de rayons X peut saisir une étape d’un processus rapide. Répéter une expérience en faisant varier le délai entre le déclenchement du processus et son observation peut aider les chercheurs à reconstituer une succession de changements, à la manière d’images distinctes qui forment un film. Des impulsions fréquentes offrent davantage d’occasions de recueillir des mesures, ce qui peut être particulièrement utile lorsque les signaux individuels sont faibles.

Les premières stations expérimentales devraient mettre en œuvre l’imagerie par diffraction cohérente, la spectroscopie ultrarapide des rayons X, des mesures de photoélectrons et la cristallographie sérielle par femtoseconde. L’imagerie par diffraction permet de reconstituer une structure à partir du motif produit par la diffusion des rayons X sur un échantillon. La spectroscopie étudie la manière dont la matière absorbe ou émet un rayonnement et révèle ainsi des informations sur sa structure électronique.

La cristallographie sérielle par femtoseconde recueille des motifs de diffraction sur de nombreux petits cristaux exposés à des impulsions très brèves. Les techniques de mesure des photoélectrons étudient les électrons libérés par la lumière et aident les chercheurs à comprendre leur comportement dans les matériaux. Ensemble, ces méthodes prévues donnent à SHINE plusieurs moyens de relier la structure microscopique aux changements physiques ou chimiques rapides.

Un meilleur contrôle de la lumière elle-même

La ligne de rayons X mous de SHINE est conçue pour proposer plusieurs modes de fonctionnement plutôt qu’un seul type d’impulsion. Une étude de 2023 sur la ligne de faisceau, publiée dans Frontiers in Physics, présente l’émission spontanée auto-amplifiée, l’auto-ensemencement, l’ensemencement externe et le contrôle de la polarisation comme options de référence.

Dans le procédé d’émission spontanée auto-amplifiée, souvent désigné par le sigle SASE, le laser se développe à partir du rayonnement initial des électrons. L’ensemencement repose quant à lui sur un signal de départ plus contrôlé. L’auto-ensemencement filtre une partie du rayonnement X et l’utilise pour poursuivre l’amplification ; l’ensemencement externe démarre à partir d’un laser distinct. Ces méthodes visent à produire une lumière dont le spectre et la structure temporelle sont contrôlés avec davantage de précision.

L’étude décrit un radiateur de rayons X mous composé de 32 modules de 4 mètres chacun, dont la période magnétique principale est de 55 millimètres. Quatorze modules en amont ont été conçus avec des périodes commutables de 55 et 75 millimètres. Cette flexibilité permet différentes conditions de fonctionnement et des techniques de conversion du rayonnement d’un laser de départ vers des longueurs d’onde plus courtes.

Certaines technologies connexes avaient déjà été testées dans une autre installation, le laser à électrons libres de Shanghai pour les rayons X mous, connu sous le nom de SXFEL. L’étude fait état d’une émission laser aux 47e et 54e harmoniques grâce à la génération d’harmoniques avec écho, une méthode qui organise les électrons pour qu’ils émettent à des multiples de la fréquence du laser de départ. Elle mentionne également un signal à la 61e harmonique.

Un monochromateur, instrument optique qui sélectionne une plage étroite d’énergies photoniques, a été testé à SXFEL à la fin de 2022. Il a atteint un pouvoir de résolution supérieur à 5 300 à 520 électronvolts. Ces travaux de développement contribuent à l’objectif de produire à SHINE des impulsions de rayons X sélectionnées avec davantage de précision. L’étude évoque aussi des possibilités futures, notamment des impulsions d’une durée de quelques attosecondes, soit mille fois moins qu’une femtoseconde.

Un laser de 100 pétawatts pour étudier des conditions extrêmes

SHINE prévoit également une station dédiée à la lumière extrême qui associerait son laser à électrons libres à un laser ultracourt d’une puissance annoncée de 100 pétawatts. Le projet la présente comme la première station expérimentale au monde à combiner un laser de cette puissance et un laser à électrons libres.

Un pétawatt équivaut à un billiard de watts. La puissance de 100 pétawatts désigne la puissance de crête atteinte au cours d’une impulsion extrêmement brève. Concentrer l’énergie sur un intervalle aussi court crée de puissants champs électromagnétiques qui permettent d’étudier la matière dans des conditions extrêmes.

L’article de 2024 sur l’avancement du projet identifie l’électrodynamique quantique en champ intense comme un objectif de recherche de la station. L’électrodynamique quantique décrit les interactions entre la lumière et les particules chargées électriquement. Des champs extrêmement puissants permettent aux chercheurs d’étudier ces interactions dans des conditions qui dépassent de très loin celles des expériences ordinaires en laboratoire.

L’installation combinée doit également permettre d’étudier la physique des hautes densités d’énergie, qui porte sur la matière où une grande quantité d’énergie est concentrée dans un faible volume. Réunir un laser optique intense et une sonde à rayons X dans une même expérience permettrait aux chercheurs de créer des conditions extrêmes et d’observer ce qui s’y produit.

Coordonner une installation de plus de 3 kilomètres

SHINE s’étend sur environ 3,1 kilomètres et est construit à quelque 29 mètres sous terre. À cette échelle, la synchronisation, le contrôle des équipements et leur protection rapide sont des éléments essentiels de l’instrument scientifique, au même titre que l’accélérateur et les aimants.

Un article sur le système de contrôle publié dans Nuclear Engineering and Technology décrit un système conçu pour contrôler jusqu’à 10 000 appareils, parmi lesquels des alimentations électriques, des lasers, des équipements à vide et d’autres composants répartis dans le complexe de l’accélérateur.

Le système utilise le cadre Experimental Physics and Industrial Control System, connu sous le nom d’EPICS, pour relier les commandes des équipements aux interfaces opérateur, à la collecte des données et à la surveillance. Un réseau de synchronisation fondé sur la technologie White Rabbit distribue les signaux d’horloge dans toute l’installation. Le système de synchronisation de l’injecteur avait été installé et utilisé avec succès ; il distribuait des signaux à 1,003086 MHz.

La protection de la machine constitue une autre tâche exigeante. La conception surveille environ 5 000 signaux de défaut et utilise des composants électroniques programmables pour réduire ou interrompre le faisceau lorsque l’état des équipements l’exige. L’article indique des temps de réaction inférieurs à une microseconde au sein d’une station et à 30 microsecondes entre les stations. Une protection rapide contribue à limiter les dégâts si un faisceau puissant sort des conditions prévues.

Au moment de la soumission de cet article, seul l’injecteur était opérationnel et le système de contrôle de l’accélérateur dans son ensemble était encore en cours de développement. L’annonce ultérieure de la première lumière marque une étape plus avancée de la mise en service. L’intégration de l’accélérateur, du transport du rayonnement, des systèmes de protection et des stations expérimentales reste essentielle à la transition prévue vers une utilisation scientifique régulière.

Qui construit SHINE et quelles sont les prochaines étapes

L’université ShanghaiTech est l’entité juridique responsable de la construction. Ses missions comprennent la planification du projet, la supervision de l’ingénierie, la gestion de la qualité et de la sécurité, ainsi que l’exploitation future et l’accès ouvert. Elle est également responsable du génie civil, de cinq stations expérimentales et d’une partie de la construction des lignes de faisceau.

L’Institut de recherche avancée de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences est responsable de l’accélérateur, des ondulateurs, des réseaux de services et de certaines lignes de faisceau. L’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai construit la station de la ligne de faisceau consacrée à la photophysique extrême. Cette répartition confie l’accélérateur, les équipements expérimentaux et l’exploitation future au bénéfice des utilisateurs à plusieurs institutions.

Les jalons publiés du projet retracent le passage de la construction souterraine à la mise en service du faisceau :

• Avril 2018 : début des travaux de génie civil à Shanghai.
• Fin 2022 : un essai du monochromateur à SXFEL atteint un pouvoir de résolution supérieur à 5 300 à 520 électronvolts.
• Avril 2023 : début de l’installation de l’injecteur de SHINE.
• Fin 2023 : tous les puits et tunnels sont achevés, selon l’article de 2024 sur l’avancement du projet.
• Annonce du 21 octobre : ShanghaiTech fait état d’une première lumière obtenue avec un faisceau d’électrons de 4 GeV et 18 modules d’ondulateur.
• Fin 2027 : SHINE vise l’achèvement et la mise en service.

Les calendriers techniques antérieurs ont évolué au fil de la construction. L’étude de 2023 sur la ligne de faisceau prévoyait la mise en service de FEL-II au printemps 2025. L’article de 2024 sur l’avancement du projet jugeait possible, mais difficile, une première émission laser d’ici à la fin de 2025, tout en prévoyant des expériences pour les utilisateurs en 2027. La dernière annonce fixe la fin de 2027 comme objectif pour l’achèvement et la mise en service.

SHINE est présenté comme l’une des deux installations de ce type associant des impulsions fréquentes et les capacités d’un laser à électrons libres dans le domaine des rayons X durs. L’autre est la mise à niveau haute énergie de la source de lumière cohérente Linac, en construction aux États-Unis. Pour les chercheurs, l’intérêt concret du projet de Shanghai dépendra de l’accès aux plages d’énergie, aux modes d’impulsion et aux stations expérimentales prévus, une fois la mise en service achevée.

Points clés

• SHINE a produit sa première lumière à Shanghai à l’aide d’un faisceau d’électrons de 4 GeV et de 18 modules d’ondulateur.
• L’accélérateur achevé devrait atteindre 8 GeV, soit deux fois l’énergie des électrons utilisés pour cette étape.
• Les deux premières lignes devraient couvrir une plage de 0,2 à 15 keV ; la plage de référence des trois lignes s’étend jusqu’à 25 keV.
• Certains modes de fonctionnement visent un million d’impulsions de rayons X par seconde, d’une durée de quelques dizaines de femtosecondes.
• La première phase prévoit 10 stations expérimentales, dont une station associant rayons X et laser de 100 pétawatts.
• L’université ShanghaiTech dirige le projet, dont l’achèvement et la mise en service sont prévus pour la fin de 2027.