Les chercheurs du National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility du DOE's Brookhaven National Laboratory, dépendent du faisceau d'électrons brillant et stable de l'établissement pour effectuer des expériences révolutionnaires. Dans les coulisses, une équipe dédiée de physiciens, ingénieurs, concepteurs et techniciens du complexe accélérateur de l'installation ne maintient pas seulement ce système pour un fonctionnement fiable, mais également à la façon d'améliorer les performances et de débloquer de nouveaux domaines de la science synchrotron pour la communauté de recherche de la source légère.
Dans un nouveau design inventif qui a été des années en devenir, l'équipe a dévoilé un prototype de preuve de principe pour une nouvelle conception de treillis « complexe Bend ». Ce réseau aimant unique a déclenché une discussion sur certaines possibilités intrigantes pour l'avenir de l'accélérateur de NSLS-II, et la conception éclaire la voie pour les prochaines étapes nécessaires.
S'appuyer sur un héritage d'innovation d'accélérateur
Les synchrotrons comme NSLS-II utilisent des aimants puissants pour diriger et concentrer un faisceau d'électrons ultrabright lorsque le faisceau circule autour d'une piste circulaire appelée anneau de stockage. Ce faisceau produit des rayons X intenses qui sont dirigés vers des stations expérimentales appelées lignes de faisceau, où elles sont utilisées pour un large éventail d'enquêtes scientifiques.
Pendant des décennies, des sources lumineuses dans le monde se sont appuyées sur le réseau Chasman-Green, un arrangement complexe d'aimants également connus sous le nom de réseau Achromat à double virage. Développé dans les années 1970 par les scientifiques du laboratoire de Brookhaven Renate Chasman et George Kenneth Green, cette conception est devenue un élément fondamental des sources de lumière synchrotron modernes.
L'anneau de stockage NSLS-II est actuellement composé de 30 cellules Achromat à double virage qui soutiennent la construction de près de 60 lignes de faisceau. À l'heure actuelle, 29 lignes de faisceau sont opérationnelles et plusieurs autres sont à divers stades de développement.
En 2018, un groupe de scientifiques de la division des accélérateurs de NSLS-II, dirigé par le directeur de division Timur Shaftan, a commencé à explorer un nouveau design pour un réseau amélioré qui s'est révélé prometteur dans la réalisation de la focalisation localisée très forte et une émission de faisceau minimisée. L'émittance est la mesure de la quantité d'électrons dans un faisceau se propage, ce qui est important pour les installations de source lumineuse. Plus la poutre est serrée, plus elle sera lumineuse.
Pour cette raison, les physiciens de l'accélérateur sont à la recherche de moyens de minimiser autant l'émittance. Cette quête a contribué à motiver un nouveau réseau « complexe de virage », qui nécessite des aimants à fonction combinés à haute résistance étroitement espacés. Ces aimants sont placés le long d'une trajectoire incurvée, connue sous le nom d'un arrangement de cylindre « Halbach », qui nécessite l'utilisation de quadrupoles d'aimant permanent compact (PMQ). Ces aimants serviraient une fonction combinée, ce qui signifie qu'ils fonctionneraient non seulement en quadrupol mais aussi comme un composant dipolaire si nécessaire.
Les aimants permanents, contrairement aux électromagets largement utilisés qui sont actuellement utilisés chez NSLS-II, apporteraient plusieurs avantages, en particulier dans leur taille et leur efficacité, mais ils présentent également des défis intéressants, à savoir la conception et la fabrication de ces modules d'aimants uniques.
Prototypes en évolution
Pour tester cette conception révolutionnaire, l'équipe d'accélérateur a commencé à développer des prototypes à plusieurs échelles. Le prototype initial – une petite version à basse énergie – a ouvert la voie à un modèle à grande échelle et à haute énergie conçu en collaboration avec le département colliliseur-accélérateur du laboratoire. L'étape suivante consiste à installer deux prototypes à grande échelle dans le tunnel d'accélérateur NSLS-II pour démontrer leur faisabilité opérationnelle, une étape importante qui appelle à une planification minutieuse et à un optimisme prudent.
« Nous prévoyons un succès », a déclaré Bernard Kosciuk, ingénieur en mécanique dans le groupe d'instruments de la division accélérateur. « Avant l'installation, nous devons prendre des mesures magnétiques rigoureuses dans le laboratoire qui inculqueront un niveau de confiance élevé dans les performances du prototype. Nous voulons aborder toute incertitude pour nous assurer que nous pouvons commander le prototype. »
Ces prototypes sont une étape critique vers le développement d'un accélérateur qui utilise la conception de Bend complexe, une approche qui pourrait offrir des avantages majeurs au NSLS-II. Ces aimants permanents ne nécessiteront pas une infrastructure ou une maintenance des services publics, et ils réduiront probablement la consommation d'énergie et le coût d'environ 80%, de 1,7 mégawatts à 0,3.
La faible émittance augmenterait la luminosité d'un facteur estimé de 10 à 100, selon l'énergie des photons, ce qui rendrait les expériences aux lignes de faisceau plus efficaces. L'espace économisé par la taille compacte laisserait amplement de place pour les dispositifs d'insertion et d'autres équipements d'accélérateur, permettant de nouvelles possibilités dans les futures lignes de faisceau.
Le voyage de six ans du concept au prototype à grande échelle a déjà accumulé l'élan assez rapidement. Guimei Wang, leader du groupe de coordination d'accélérateur à NSLS-II, a dirigé une équipe qui a réussi à démontrer le premier prototype de Bend complexe à l'aide du faisceau NSLS-II Linac, une configuration de test de 200 mégaelectron volt et une version à l'échelle d'une machine Gigaelectron Volt. Cette première preuve de concept fonctionnerait à 15 fois moins d'énergie qu'une version à grande échelle.
« Il y a eu des défis avec cette nouvelle conception », se souvient Wang. « Une forte focalisation a rendu difficile la correspondance parfaitement de l'optique et d'éviter l'éruption du faisceau. La taille compacte a également rendu difficile l'incorporation d'un équipement de diagnostic. Nous avons pu trouver des moyens innovants autour de certains de ces problèmes, notamment en utilisant l'apprentissage automatique pour régler le faisceau, une connexion flexible de la chambre à vide et un système d'imagerie micrométrique-résolution.
« Le prototype initial a fini par être une étape réussie du projet, cependant. La conception a maintenu un gradient élevé, comparable à un aimant à grande échelle, tout en réduisant considérablement la taille de l'aimant. »
Ce travail initial a conduit à une proposition de recherche et de développement dirigée en laboratoire de trois ans pour augmenter le prototype d'un seul assemblage de poutre avec des PMQ à fonction combinée et une chambre à vide. Les systèmes de vide font partie intégrante des accélérateurs comme celui-ci, mais la conception de l'aimant radicalement différente placerait des défis importants sur la chambre à vide.
« L'ouverture incroyablement petite et les éléments magnétiques droits nécessitaient une usinage de précision pour accueillir un rayon de faisceau lisse tout en permettant une géométrie de la fente de sortie suffisante », a expliqué Robert Todd, leader du groupe d'aspirateurs à NSLS-II.
« Cela a repoussé les limites de l'usinage et du soudage pour créer une chambre à parois minces, deux mètres de longueur, dans la tolérance et capable de résister aux forces de vide. Une approche minutieuse de conception et d'usinage a conduit à une collaboration et une fabrication de fournisseurs réussis. »
« Nous avons dû proposer des solutions créatives parce que rien de tel n'avait vraiment été fait auparavant », a déclaré Sushil Sharma, conseiller principal dans la division des accélérateurs et la tête de ce projet. « Pour garder notre installation compétitive avec le reste du monde, nous devons faire beaucoup de recherche et de développement nous-mêmes. »
Il y avait un autre aspect de ce prototype qui devait être réalisé. La version à basse énergie a utilisé des PMQ simples qui ont pu se concentrer et défocaliser, mais la flexion a été produite en déplaçant ces aimants perpendiculaires au faisceau. Ce nouveau prototype devait être conçu pour réaliser l'aspect multifonctionnel des aimants et permettre à la flexion d'être produite par le PMQ lui-même à une taille plus grande avec des coins aimants permanents optimisés, ce qui nécessitait des changements significatifs dans leurs angles d'aimantation.
Ces changements, qui étaient cruciaux pour aller de l'avant, ont été rendus possibles grâce à une collaboration avec le département des collirants-accélérateur de Brookhaven. Stephen Brooks, physicien accélérateur au sein du département, a joué un rôle déterminant dans le développement de la géométrie bidimensionnelle des PMQ.
Fermer soigneusement la conception du futur
Un aspect important du PMQS est leur qualité de champ, en particulier dans les aimants de fonction combinés. Si un aimant est conçu pour avoir un champ dipolaire et quadripolaire, il ne devrait pas montrer aucun autre champ d'ordre supérieur. Cela a été mesuré très précisément avec une minuscule bobine de cuivre qui a été créée pour la tâche dans une collaboration avec le Fermi National Accelerator Laboratory de DOE et a fini par être un projet important en soi. Trois de ces bobines ont été fabriquées et utilisées pour tester les performances de ce nouveau système de mesure magnétique. Passer ces tests conduirait au plus grand défi à ce jour.
« Ce prototype a respecté les spécifications que nous avons fixées, mais pour être installé dans l'anneau de stockage, nous devons valider son évolutivité, sa production rentable et sa fiabilité opérationnelle », a déclaré Sharma. « Nous travaillons actuellement sur la proposition visant à créer deux prototypes entièrement fonctionnels qui s'adaptent à ces spécifications raffinées et à les installer dans la bague de stockage NSLS-II. »
Ce ne sont pas les seules explorations qui se produisent. Une équipe de scientifiques de la division des accélérateurs de NSLS-II a également participé à la récente « session de 1 000 scientifiques AI Jam » organisée par DOE en coopération avec Openai et Anthropic. Lors de cet événement, des équipes de scientifiques et d'ingénieurs de neuf laboratoires nationaux DOE ont apporté certains de leurs défis les plus difficiles pour tester les modèles d'IA avancés et voir comment ils pourraient aider avec leurs recherches à l'avenir.
« Notre objectif était de tester la capacité des outils d'IA pour nous aider à résoudre certains des problèmes liés à la conception PMQ par rapport à la mise à niveau du NSLS-II », a rappelé Patrick N'gotta, un physicien magnétique dans la division accélérateur de NSLS-II qui a participé à l'événement.
« Nous avons étudié le modèle mathématique de l'aimant, les idées de correction sur le terrain, les moyens d'améliorer notre code d'algorithme de correction et la possibilité de prédire une correction basée sur les données de correction précédents. Dans l'ensemble, nous sommes convaincus que l'IA est un outil intéressant qui peut aider notre travail et nous faire gagner du temps si nous avons fourni une entrée et une orientation appropriées. »
Au fur et à mesure que les conceptions sont testées et que les données sont analysées à partir de chaque étude, le personnel de NSLS-II et les membres de la communauté de la grande source de lumière ont rassemblé la tête dans un certain nombre de discussions et d'ateliers.
Au cours des quatre dernières années, le sujet d'une mise à niveau d'accélérateur a été un sujet d'intérêt immense pour les scientifiques et les ingénieurs de toute l'installation, le Bend complexe étant l'élément central d'une machine améliorée. Il y a actuellement un autre grand atelier de sciences exploratoires en mettant l'accent sur la mise à niveau de l'accélérateur organisée au début de l'automne 2025.
« La méthodologie complexe de Bend conçue au NSLS-II est prévue pour devenir le principal élément constitutif d'une future mise à niveau des installations, profitant des champs de haute qualité et de haute qualité produits par des aimants permanents complexes pour la conception du réseau à bancs à faible émission », a déclaré Shaftan. « Ce sera vraiment excitant de voir le travail acharné qui a conduit à l'endroit où nous sommes maintenant les accélérateurs de l'avenir. »
