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Mise en opération de la nouvelle source de photons pour la ligne ROCK : le dipôle Superbend

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Le 25 août 2021, le redémarrage du synchrotron après l’arrêt technique estival a eu lieu avec un anneau de stockage contenant un nouvel élément magnétique réalisé entièrement en aimants permanents, le Superbend. Produisant un champ magnétique de 2,8 T, il remplace l’un des 32 dipôles électromagnétiques (champ magnétique de 1,7 T) de l’anneau pour permettre à la ligne de lumière ROCK d’exploiter des flux de photons plus intenses dans le domaine des rayons X-durs, lui ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en spectroscopie d’absorption X. 
La réalisation de ce dipôle en aimants permanents est une prouesse technologique car les forces magnétiques mises en jeu sont gigantesques. Les premières mesures effectuées sur la ligne ROCK ont mis en évidence l’augmentation du flux de photons attendue.

En 2017, l’équipe de ROCK a demandé pour sa ligne une nouvelle source de lumière, capable de produire un flux de photons plus élevé que ne le faisait la source initiale entre 20 et 40 keV, de façon à améliorer la qualité des mesures en spectroscopie d’absorption X dans ce domaine d’énergie pour une résolution temporelle inférieure à la seconde. Cette augmentation de flux (facteur 5 à 40 keV) est obtenue en augmentant le champ magnétique qui agit sur les électrons, au point source du faisceau de photons : de 1,7 T (dipôle standard) à 2,8 T pour le Superbend. 

Le Superbend a été conçu pour être installé à la place de la source de photons existante de ROCK, sans déplacement des optiques et instruments de la ligne et sans pénaliser le fonctionnement nominal de l’anneau de stockage. Une première rupture technologique a été franchie avec le choix d’un dipôle à aimants permanents en remplacement du dipôle électromagnétique standard, avec un champ magnétique de 2,8 T produit uniquement au point source de ROCK pour minimiser la puissance à dissiper sur les absorbeurs existants. Le Superbend est donc constitué d’une partie « fort champ » en entrée (pour la sortie à 1° de ROCK) et d’une partie « bas champ » qui complète la déviation totale à 11,25°. Pour obtenir un champ de 2.8 T, l’entrefer magnétique est réduit de 37 mm (dipôle standard) à 16,1 mm obligeant la réalisation d’une nouvelle chambre à vide, avec une ouverture verticale totale intérieure réduite à 12 mm au lieu de 25 mm pour la chambre à vide standard. Compte tenu des risques sur les performances de la machine avec un tel « goulot d’étranglement » pour les électrons au point source de ROCK, des modélisations préalables ont été nécessaires pour valider les choix et donner un feu vert en 2018 à la réalisation du Superbend, dont le financement a été assuré en partie par l’ANR dans le cadre du projet Equipex ANR-10-EQPX-45.

Figure 1 : Comparaison des performances du dipôle standard et du Superbend. À gauche : variation du champ magnétique le long de la trajectoire des électrons. À droite : variation du flux de photons en fonction de l’énergie des photons (calcul à 8,7 m du point source pour une ouverture de 13 x 2,4 mm²).

L’assemblage d’une grande quantité d’aimants permanents (350 kg), autour des pôles de la culasse en acier a aussi conduit à relever de nombreux défis techniques liés aux forces magnétiques, obligeant la conception d’outillages spécifiques pour permettre un assemblage sécurisé. Les mesures magnétiques ont ensuite permis de régler l’intégrale de champ sur la valeur théorique et de calibrer les variations de champ magnétique en fonction de la température, phénomène typique des aimants permanents. Pour pallier ces variations, une bobine de correction électromagnétique a été mise en place sur la partie « bas champ » avec une alimentation reliée au système de contrôle de l’anneau pour être pilotée à distance si nécessaire. Lors de l’arrêt technique du mois d’août 2021, le Superbend, « petit bébé » de 1,3 m de long et de 3,5 tonnes, a été installé à la place du dipôle standard, laissant un espace de seulement 0,2 mm entre la chambre à vide et les pôles ! 

Figure 2 : Le Superbend installé à sa place dans le tunnel de l’anneau. En rouge, le châssis permettant d’extraire le dipôle si un étuvage de la chambre à vide doit être réalisé, les propriétés magnétiques des aimants permanents étant détériorées pour des températures supérieures à 120 °C.

Le 25 août 2021, le premier faisceau d’électrons a été stocké en présence du Superbend et aucune correction d’intégrale de champ n’a été nécessaire. S’en est suivie une série d’expériences pour caractériser et optimiser les performances de l’anneau de stockage. La cartographie de champ magnétique avait permis de modéliser l’effet important du Superbend sur la dynamique du faisceau et de compenser son effet de focalisation. Malgré les baisses d’efficacité d’injection et de durée de vie attendues, les caractéristiques du faisceau n’ont pas été modifiées. Le 27 août 2021, le premier faisceau de photons a été observé sur ROCK et l’énergie de photons de 25 keV a d’abord été caractérisée, confirmant immédiatement l’augmentation de flux d’un facteur 3 à cette énergie. Le 29 août 2021, la caractérisation à l’énergie de photons de 40 keV a été réalisée, confirmant l’augmentation de flux attendue avec un gain effectif à cette énergie d’un facteur 7,4 !

Le Superbend est en opération à SOLEIL depuis le mardi 7 septembre 2021 avec des performances satisfaisantes pour la machine. Il est « transparent » pour le fonctionnement des autres lignes de lumière. Sur la ligne ROCK, l’augmentation du flux de photons provoque des déformations des équipements optiques, notamment les monochromateurs, qu’il faudra minimiser pour atteindre les performances théoriques attendues (cf. figure 3, courbes rouges). En attendant, la ligne bénéficie d’ores et déjà d’une source de photons bien mieux adaptée à ses recherches.

Figure 3 : En noir, premières mesures de flux sur la ligne de lumière ROCK en septembre 2021 avec le Superbend. Comparaison avec les valeurs théoriques obtenues pour le dipôle standard avec un champ magnétique de 1,7 T (en bleu), et pour le Superbend, avec un champ magnétique de 2.8 T (en rouge).