Mise à niveau avancée de la source lumineuse approuvée pour commencer la construction

L'Advanced Light Source (ALS), une installation d'utilisation scientifique du Laboratoire national Lawrence de Berkeley (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, a reçu l'approbation fédérale pour commencer la construction d'une mise à niveau qui augmentera au moins cent fois la luminosité de ses faisceaux de rayons X.

"La mise à niveau de l'ALS est une entreprise d'ingénierie incroyable qui va nous donner un outil scientifique encore plus puissant", a déclaré Michael Witherell, directeur du laboratoire de Berkeley. "J'ai hâte de voir les nombreuses façons dont les chercheurs l'utilisent pour améliorer le monde et relever certains des plus grands défis auxquels la société est confrontée aujourd'hui."

Les scientifiques utiliseront l'ALS amélioré pour la recherche couvrant la biologie ; chimie; la physique; et sciences des matériaux, de l'énergie et de l'environnement. La lumière plus brillante et plus semblable à un laser aidera les experts à mieux comprendre ce qui se passe à des échelles extrêmement petites au fur et à mesure que les réactions et les processus se produisent. Ces connaissances peuvent avoir une vaste gamme d'applications, telles que l'amélioration des batteries et des technologies d'énergie propre, la création de nouveaux matériaux pour les capteurs et l'informatique, et l'étude de la matière biologique pour développer de meilleurs médicaments.

"C'est ce qui est merveilleux avec l'ALS : les applications sont si vastes et l'impact est si profond", a déclaré Dave Robin, directeur de projet pour la mise à niveau de l'ALS. "Ce qui m'excite vraiment chaque jour, c'est de savoir que, lorsqu'elle sera terminée, la mise à niveau de l'ALS permettra aux chercheurs de faire des avancées scientifiques dans de nombreux domaines différents au cours des 30 à 40 prochaines années."

L'approbation du DOE, connue sous le nom de décision critique 3 (CD-3), libère officiellement des fonds pour l'achat, la construction et l'installation de mises à niveau de l'ALS. Cela comprend la construction d'un anneau de stockage et d'un anneau accumulateur entièrement nouveaux, la construction de quatre lignes de lumière (deux nouvelles et deux mises à niveau) et l'installation de mises à niveau sismiques et de blindage pour la structure en béton abritant l'équipement. Le projet de 590 millions de dollars est le plus gros investissement de Berkeley Lab depuis la construction de l'ALS en 1993.

"Notre équipe a passé des années à concevoir chaque aimant, composant du système de vide, cavité RF [radio-fréquence], alimentation électrique et le reste de la conception personnalisée", a déclaré Robbie Leftwich-Vann, chef de projet de Berkeley Lab pour la mise à niveau. "C'est excitant de sortir du papier et d'entrer dans le monde de l'installation et de la réalisation."

L'ALS génère des rayons X en faisant circuler des électrons dans un anneau de stockage de 600 pieds de circonférence. Lorsque les électrons voyagent à travers cette série d'aimants, ils émettent de la lumière le long des lignes de lumière vers les stations où les chercheurs mènent des expériences. La lumière vient dans de nombreuses longueurs d'onde, mais l'ALS est spécialisée dans les rayons X "mous" qui révèlent les propriétés électroniques, magnétiques et chimiques des matériaux.

L'ALS amélioré utilisera un nouvel anneau de stockage avec des aimants plus avancés qui peuvent mieux orienter et concentrer les électrons, créant à leur tour des faisceaux de lumière plus brillants et plus serrés. Cela comprimera les faisceaux de rayons X d'environ 100 microns (millièmes de millimètre) à seulement quelques microns de large, ce qui signifie que les chercheurs peuvent imager leurs échantillons avec une résolution encore plus fine et sur des échelles de temps plus courtes. C'est comme passer d'un appareil photo de téléphone portable dans la pénombre à un appareil photo haut de gamme à haute vitesse en plein jour.

Le profil de faisceau de la source de lumière avancée de Berkeley Lab aujourd'hui (à gauche), par rapport au faisceau hautement focalisé (à droite) qui sera disponible après la mise à niveau. (Crédit : laboratoire de Berkeley)

"Avec la mise à niveau, nous pourrons étudier de manière routinière comment les échantillons changent en 3D - quelque chose qui est actuellement très difficile à faire", a déclaré Andreas Scholl, physicien au Berkeley Lab et directeur de division par intérim de l'ALS. "L'un de nos objectifs est de trouver et de développer les matériaux qui seront essentiels pour la prochaine génération de technologies dans des domaines tels que le stockage de l'énergie et l'informatique."

Avec 40 lignes de lumière et plus de 1 600 utilisateurs par an, l'ALS soutient une variété de recherches. Par exemple, les chercheurs peuvent examiner comment les microbes décomposent les toxines, étudier comment les substances interagissent pour produire de meilleures cellules solaires ou biocarburants et tester des matériaux magnétiques qui pourraient avoir des applications en microélectronique. Les équipes construiront deux nouvelles lignes de lumière optimisées pour tirer parti de la lumière améliorée, et réaligneront et moderniseront plusieurs lignes de lumière existantes.

Un élément crucial de la mise à niveau déjà en cours est un deuxième anneau connu sous le nom d'accumulateur, qui prendra les électrons produits par le complexe de l'accélérateur et les préparera pour le nouvel anneau de stockage. La construction de l'accumulateur a commencé en 2020 avec une approbation préalable spéciale connue sous le nom de CD-3a. En installant et en testant d'abord l'accumulateur, les équipes peuvent minimiser la durée d'interruption des opérations ALS pour terminer la mise à niveau.

L'ALS utilisera une technique appelée "injection d'échange sur axe" développée par des scientifiques de Berkeley Lab. Il permettra à l'accumulateur et aux anneaux de stockage de travailler ensemble pour créer des faisceaux ordonnés incroyablement brillants pour la recherche qui peuvent révéler des détails à l'échelle nanométrique dans les matériaux et les réactions.

Si vous avez déjà essayé de déplacer de gros meubles dans un appartement au deuxième étage, vous comprenez un avant-goût de ce que l'installation du nouvel anneau de stockage ALS impliquera.

"Le plus grand défi pour ALS-U est l'espace", a déclaré Daniela Leitner, qui dirige l'équipe de démontage et d'installation du projet. "Nous mesurons littéralement si nous pouvons mettre la main dans un domaine particulier."

De nombreux éléments du tunnel de l'accélérateur ne peuvent pas être déplacés, y compris le nouvel anneau d'accumulation qui longera la paroi intérieure du tunnel. Les experts ont utilisé une modélisation et des simulations approfondies pour s'assurer que l'anneau de stockage actuel peut être retiré en toute sécurité le long des voies d'accès désignées et remplacé par les nouveaux radeaux d'aimants.

Cette animation montre une section de l'anneau de stockage traversant le tunnel de l'accélérateur. La bague d'accumulateur est visible en bas. Les simulations garantissent que toutes les différentes pièces de la mise à niveau pourront voyager dans et hors de l'espace exigu. (Crédit : Christopher Bullock/Berkeley Lab)

Au cours des trois prochaines années, les équipes achèteront et construiront toutes les pièces du nouvel anneau de stockage et d'autres améliorations. Avec tout préparé, l'ALS entrera dans environ un an de "temps sombre" pour l'installation et la mise en service initiale.

"Lorsque l'accélérateur s'arrête, le chronomètre démarre", a déclaré Leitner. "Les choses doivent se dérouler comme un ballet chorégraphié."

Quatre équipes travaillant en parallèle démonteront l'anneau de stockage ALS actuel. Cela signifie déplacer près de 500 tonnes d'équipements, y compris des aimants, des câbles et des poutres de support (qui devront être découpées au plasma en trois morceaux avant de pouvoir être extraites). Ensuite, ils déplaceront 500 tonnes d'équipements de pointe, connecteront soigneusement tous les composants et redonneront vie à un ALS amélioré. Ce sera alors la source de rayons X mous cohérents (de type laser) la plus intense au monde.

"La préparation de cette mise à niveau a été un effort à l'échelle du laboratoire qui va avoir un grand impact sur la communauté scientifique", a déclaré Witherell. "Je félicite toute l'équipe de l'ALS-U pour son engagement et son travail acharné."

Faites une visite virtuelle de l'anneau de stockage Advanced Light Source existant. Utilisez votre souris pour naviguer dans les tunnels de la SLA. Afficher une version plein écran. (Crédit : Matterport, laboratoire de Berkeley)

La source de lumière avancée est une installation utilisateur du bureau des sciences du DOE.

En savoir plus sur l'ALS-U :

###

Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 16 prix Nobel. Aujourd'hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l'informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l'univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations du laboratoire pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l'Université de Californie pour le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie.

L'Office of Science du DOE est le plus grand soutien 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, veuillez visiter energy.gov/science.