Le 21 juillet 2020 — Au cours des près de 25 ans qui se sont écoulés depuis l’installation d’utilisation de l’Advanced Photon Source (APS), une installation du Bureau des utilisateurs scientifiques du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE), inaugurée au Laboratoire national d’Argonne du DOE, elle a joué un rôle essentiel dans certaines des découvertes et avancées les plus cruciales de la science.
Plus de 5 000 chercheurs du monde entier mènent des expériences à l’APS chaque année, et leurs travaux ont, parmi de nombreux autres succès notables, ouvert la voie à de meilleures batteries renouvelables; a entraîné le développement de nombreux nouveaux médicaments; et a contribué à rendre les véhicules plus efficaces, les matériaux d’infrastructure plus solides et l’électronique plus puissante.
Les recherches menées à l’APS ont également directement conduit à deux prix Nobel et contribué à un troisième. Plus récemment, l’APS contribue de manière significative à la lutte contre le COVID-19. Ses lignes de faisceau sont impliquées dans la recherche pour à la fois identifier les structures protéiques du virus et trouver des traitements pharmaceutiques et / ou des vaccins potentiels. Ces travaux montrent clairement l’importance continue des sources de lumière à rayons X, comme l’APS, dans la résolution de problèmes critiques pour notre monde.
« La mise à niveau de l’APS nous permettra de mener de nouvelles expériences que nous pouvons à peine imaginer en ce moment. Ce sera transformationnel « , a déclaré Jonathan Lang, directeur de la Division des sciences des rayons X de l’APS (XSD).
Alors que l’APS est toujours l’une des principales installations de recherche de ce type, l’anneau de stockage d’électrons qui en est le cœur a été conçu à partir de la fin des années 1980 et, aussi révolutionnaire qu’il soit à l’époque, s’appuie désormais sur une technologie datée.
« Après 25 ans, le défi est de savoir comment continuer à faire de l’APS un lieu intéressant et utile pour les chercheurs ? » a demandé Jim Kerby, chef de projet pour la mise à niveau APS (APS-U), qui est venu à Argonne pour aider à répondre à cette question. « Comment pouvons-nous créer une installation qui continue de fournir des opportunités de travail qui ne peuvent être effectuées nulle part ailleurs? »
Alors que l’APS se prépare à subir une mise à niveau de 815 millions de dollars qui, dès la fin de 2023, permettra à la science d’atteindre une échelle complètement nouvelle et sans précédent, l’équipe de l’APS d’Argonne et les milliers de chercheurs qu’elle soutient regardent avec enthousiasme vers l’avenir – même si personne ne peut complètement connaître toute la gamme des opportunités scientifiques qui l’attendent.
« La mise à niveau de l’APS nous permettra de mener de nouvelles expériences que nous pouvons à peine imaginer en ce moment. Ce sera transformationnel « , a déclaré Jonathan Lang, directeur de la Division des sciences des rayons X de l’APS (XSD).
« D’Usain Bolt à un F-15 »
L’APS fonctionne comme un microscope à rayons X géant. Il produit des rayons X extrêmement brillants qui peuvent scruter à travers des matériaux denses et éclairer la structure et la chimie de la matière au niveau moléculaire et atomique. Dans le cadre de la mise à niveau, l’anneau de stockage circulaire existant de 1,1 kilomètre sera remplacé et les lignes de rayons X et d’autres équipements seront mis à jour, créant une installation de rayons X beaucoup plus puissante et une production de rayons X plus lumineuse.
La luminosité des rayons X sera jusqu’à 500 fois supérieure à celle de la machine actuelle, a déclaré Kerby, et améliorera considérablement les performances.
« C’est difficile à imaginer pour quiconque », a déclaré Kerby. « C’est comme passer d’Usain Bolt, un sprinteur détenteur du record du monde d’athlétisme connu pour être l’un des hommes les plus rapides au monde, à un avion de chasse F-15. Les deux sont rapides, mais ce sont deux types de vitesse très différents. Des expériences qui étaient auparavant impossibles à réaliser dans un laps de temps réaliste seront désormais menées en quelques minutes à quelques heures. »
Une autre amélioration majeure concerne la cohérence du faisceau, qui se rapporte à l’ordre de la lumière des rayons X. Lang a déclaré que cela passerait de quelque chose comme un projecteur qui produit un large faisceau de lumière à quelque chose de beaucoup plus comme un laser.
Selon Stephen Streiffer, directeur adjoint du laboratoire pour la science et la technologie, directeur adjoint du laboratoire par intérim pour les sciences des photons et directeur de l’APS, la cohérence est particulièrement importante: « Les rayons X à haute énergie ultra-brillants avec une très grande cohérence nous permettront d’expérimenter dans des environnements réels, pas seulement des environnements modèles. »
Streiffer a déclaré qu’il était essentiel que la nouvelle source de rayons X permette des mesures sur plusieurs échelles physiques et temporelles. « Pensez à explorer l’électrochimie dans une batterie. Cela va d’une nanoseconde avec des atomes diffusant dans un environnement local jusqu’aux changements macroscopiques de la batterie au fil des jours, des semaines ou même des années. Avec l’augmentation de la luminosité, nous pourrons regarder l’ensemble de l’image. »
Lang pointa vers un autre angle. « Actuellement, vous ne pouvez voir qu’une petite partie d’un matériau, et cela prend beaucoup de temps. Avec la mise à niveau, nous obtiendrons à la fois une haute résolution et un large champ de vision. Par exemple, pour comprendre les propriétés mécaniques des matériaux polycristallins, vous voulez voir comment les éléments sont répartis autour des limites de grain entre les cristaux, mais vous voulez également voir comment un grand nombre de limites de grain se comparent. Cela permettra aux chercheurs d’examiner beaucoup plus de cellules, de manière à améliorer considérablement les matériaux structurels utilisés dans les industries de l’automobile et de l’aérospatiale. »
Avec la luminosité plus élevée, a déclaré Lang, viendra également une charge de données immense. » Mais nous avons un calcul haute performance sur le campus, donc c’est une excellente synergie. Ils peuvent croquer les chiffres pour gérer les données. C’est une source et une ressource unique très proche. »Et avec le nouveau supercalculateur Aurora qui devrait faire ses débuts en 2021, il y aura encore plus d’opportunités de tirer parti des ressources inégalées d’Argonne.
Bob Hettel, le directeur du projet APS-U, a participé à la conception de l’APS actuel alors qu’il était au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC. Il a déclaré que c’était une période très excitante pour la technologie des rayons X, en particulier avec les progrès de la conception des anneaux de stockage, et APS a « mis au point une approche agressive qui améliore et améliore ce que d’autres ont fait au cours des deux dernières décennies. »
Pour Hettel, le plus grand défi est qu’il n’y a pas un seul obstacle technique, mais plutôt l’intégration de tant de composants différents. « Il y a un million de pièces mobiles. Mais nous collaborons avec la communauté des utilisateurs, et nous avons les meilleurs techniciens au monde dans plusieurs domaines qui se sont réunis pour que tout fonctionne. »
Kerby a déclaré que le plus tôt les points d’accès seraient fermés est juin 2022 — mais pas avant que toutes les pièces de la nouvelle machine aient été extraites et soient prêtes à être assemblées à la place de l’ancienne machine — avec les points d’accès améliorés qui reviennent en ligne environ un an plus tard. À ce stade, a-t-il déclaré, les utilisateurs devront recalibrer complètement leur façon de penser aux expériences scientifiques possibles.
Pour lire l’histoire complète, visitez https://www.anl.gov/article/advanced-photon-source-upgrade-will-transform-the-world-of-scientific-research
À propos de la Source de photons avancée
La Source de photons avancée (APS) de l’Office of Science du Département de l’Énergie des États-Unis au Laboratoire national d’Argonne est l’une des installations de source de lumière à rayons X les plus productives au monde. L’APS fournit des faisceaux de rayons X à haute luminosité à une communauté diversifiée de chercheurs en science des matériaux, en chimie, en physique de la matière condensée, en sciences de la vie et de l’environnement et en recherche appliquée. Ces rayons X conviennent parfaitement à l’exploration de matériaux et de structures biologiques, à la distribution des éléments, aux états chimiques, magnétiques et électroniques et à un large éventail de systèmes d’ingénierie d’importance technologique, des batteries aux pulvérisateurs d’injecteurs de carburant, qui sont tous les fondements du bien-être économique, technologique et physique de notre pays. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l’APS pour produire plus de 2 000 publications détaillant des découvertes percutantes et résolvant des structures protéiques biologiques plus vitales que les utilisateurs de toute autre installation de recherche sur les sources de lumière à rayons X. Les scientifiques et les ingénieurs de l’APS innovent une technologie qui est au cœur de l’avancement des opérations des accélérateurs et des sources de lumière. Cela inclut les dispositifs d’insertion qui produisent des rayons X d’une luminosité extrême prisés par les chercheurs, les lentilles qui focalisent les rayons X jusqu’à quelques nanomètres, l’instrumentation qui maximise la façon dont les rayons X interagissent avec les échantillons étudiés et les logiciels qui collectent et gèrent la quantité massive de données résultant de la recherche de découverte à l’APS.
Cette recherche a utilisé les ressources de la Source de photons avancée, une source américaine. Installation des utilisateurs du Bureau des Sciences du DOE exploitée pour le Bureau des sciences du DOE par le Laboratoire national d’Argonne en vertu du contrat No. DE-AC02-06CH11357.
À propos du Laboratoire national d’Argonne
Le Laboratoire national d’Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en matière de science et de technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d’Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d’entreprises, d’universités et d’agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, à faire progresser le leadership scientifique de l’Amérique et à préparer la nation à un avenir meilleur. Avec des employés de plus de 60 pays, Argonne est gérée par UChicago Argonne, LLC pour le Bureau des Sciences du Département américain de l’Énergie.
À propos du Bureau de la Science du Département de l’Énergie des États-Unis
Les États-Unis. Le Bureau des Sciences du département de l’Énergie est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://energy.gov/science.
Source : Brett Hansard, Laboratoire national d’Argonne