La ligne HERMES (pour High Efficiency and Resolution beamline dedicated to X-ray Microscopy and Electron Spectroscopy) du synchrotron SOLEIL est née de la volonté de combiner deux techniques microscopiques complémentaires (XPEEM et STXM). Le tout avec une résolution spatiale inférieure à 20 nm et sur une gamme d’énergie allant de 70eV à 2,5 keV.
La ligne de lumière HERMES a été conçue et optimisée pour délivrer un important flux de photons tout en assurant une résolution énergétique suffisante pour mener à la fois des études en imagerie et en spectroscopie locale. Pour permettre un bon fonctionnement des microscopes sur la large gamme d’énergie couverte par la ligne et répondre aux besoins spécifiques de chacun des microscopes notamment en termes de taille de faisceau, deux configurations ont été développées, chacune spécifique à une gamme d’énergie et à un mode de fonctionnement :
Deux onduleurs permettent de couvrir la partie basse (HU64) et haute (HU42) énergie de la ligne. En aval des onduleurs se trouvent trois miroirs, qui fonctionnent par paire (M1A-M1B et M1A-M1C pour couvrir respectivement les basses et hautes énergies). Chaque couple de miroirs fonctionne à des angles d’incidence différents (2,5° et 1.2°) de façon à optimiser la réflectivité et la rejection des harmoniques supérieures.
Le monochromateur PGD (Plane-Grating Monochromator) qui possède deux réseaux, un par mode d’utilisation de la ligne. Outre la sélection en énergie, il permet d’adapter la taille du faisceau aux besoins expérimentaux (en termes de cohérence et d’illumination).
Figure : Appareillage optique de la ligne de lumière HERMES
De nombreux efforts ont par ailleurs été menés pour s’affranchir des problèmes récurrents liés à la microscopie à rayons X, à savoir :
- La pureté du spectre. Elle est généralement limitée par contamination des harmoniques supérieures de l’onduleur. La disposition des trois premiers miroirs M1A, M1B et M1C en mode chicane ainsi que l’utilisation d’un angle d’incidence élevé (2,5°) permet de rejeter une grande partie de la seconde harmonique de l’onduleur HU64 (la plus limitante dans la gamme d’énergie de la ligne de lumière). En outre, pour atteindre des taux de rejection plus poussés (<1%), les concepteurs d’HERMES ont eu recours à un savoir-faire déjà développé à SOLEIL et ont utilisé deux réseaux de diffraction spécialement prévus pour permettre un important rejet des harmoniques (VGD : Variable Groove Depth). Les profondeurs de gravure sont différentes sur la largeur du réseau de diffraction (voir Lagarde et al. 2013[1]). Pour une énergie donnée, le choix d’une profondeur de gravure permet d’optimiser la rejection des harmoniques à cette énergie.
- La contamination au carbone des systèmes optiques. La gamme d’énergie utilisée par la ligne HERMES englobe la fenêtre de l’eau (280-520 eV) et est donc sujette à la contamination au carbone, ce qui est fortement limitant pour les mesures en absorption. Plusieurs mesures de précautions ont été mises en place de façon à réduire l’impact de la contamination au carbone:
- Les chambres à vide optiques sont en aluminium plutôt qu’en acier inoxydable.
- L’utilisation des moteurs et des codeurs sous vide a été limitée le plus possible dans les chambres optiques.
- Les systèmes de refroidissements utilisent un substrat SiC refroidi à l’eau plutôt que du silicium en cryogénie.
Cette stratégie s’est relevée payante car elle a permis de réduire significativement l’impact de la contamination du carbone sur les meures dans la fenêtre de l’eau.
La phase de commissionning de la ligne est à présent terminée et a permis de montrer que toutes les spécifications de la ligne ont été atteintes. Ainsi, des flux de photons monochromatiques supérieurs à 1013photon/sec et des pouvoirs résolvants supérieurs à 104 ont été obtenus. Les spécifications remarquables de la ligne permettent d’envisager des mesures en microscopie X mous avec de très hautes résolutions spatiales (<20nm).