L’accélérateur le plus performant de sa catégorie au monde
Basé sur un nouvel arrangement des éléments magnétiques, l’accélérateur d’électrons de haute performance de SOLEIL II est conçu pour produire des faisceaux de photons de qualité́ inégalée, indispensables pour répondre aux enjeux scientifiques qui nous attendent.
À la fois le plus compact et le plus performant au monde dans le domaine des énergies intermédiaires (autour de 3 GeV), en termes de taille et de divergence des faisceaux d’électrons produits, ce nouvel accélérateur renforcera la position stratégique de la France dans la production et l’exploitation du rayonnement synchrotron.
Ce projet innovant et ambitieux vise à remplacer l’actuel accélérateur de 354 m de circonférence tout en conservant les infrastructures existantes et la géométrie d’extraction des faisceaux des lignes de lumière, ce qui permettra de minimiser le coût du projet. Le domaine d’énergie des photons produits couvre dix ordres de grandeur, de l’infrarouge lointain aux rayons X durs. Le domaine d’excellence de SOLEIL (rayons X mous et tendres) restera privilégié. Grâce à un faisceau d’électrons 40 fois plus petit et circulaire (figure ci-dessus), les faisceaux de photons seront au moins 100 fois plus brillants et cohérents dans le domaine des rayons X. Leurs propriétés ainsi améliorées permettront de réaliser des expériences jusque-là̀ impossibles ou seulement sur des temps de mesure très longs, tout en garantissant une grande stabilité́ d’intensité, de position et de taille. L’upgrade de l’accélérateur de SOLEIL est rendu possible, d’une part, par la levée de verrous technologiques, avec la miniaturisation extrême des chambres à vide où circulent les électrons et des aimants qui les guident, pour obtenir un agencement très compact. D’autre part, par des innovations majeures, avec notamment un système d’injection des électrons repensé, et de tout nouveaux dispositifs magnétiques compacts permettant de produire et contrôler des faisceaux de photons toujours plus intenses. Ces concepts novateurs font l’objet d’une phase intense de prototypage et ont déjà̀ abouti au dépôt de sept brevets.
Un écosystème européen en pleine mutation
SOLEIL II se positionne dans un contexte européen très dynamique où tous les synchrotrons s’engagent dans une démarche similaire, initiée par la construction du synchrotron MAX IV en Suède, premier de cette nouvelle génération (voir la carte ci-dessous). Les premiers résultats obtenus à MAX IV et à l’ESRF démontrent de manière spectaculaire le potentiel de ces sources extrêmement brillantes qui deviennent l’élément clé de la compétitivité́ de ces installations, et rendent SOLEIL II indispensable.
Avec ses faisceaux de photons dans la gamme allant de l’infrarouge lointain au rayons X, SOLEIL II restera l’indispensable complément de celui de l’ESRF, à Grenoble, qui fournit des rayons X de plus haute énergie. Laboratoires et industriels français auront ainsi toujours à leur disposition tout l’éventail des techniques permettant de couvrir l’ensemble de leurs besoins. Depuis 2017, l’ensemble des synchrotrons européens est uni au sein d’une communauté́, le LEAPS. SOLEIL s’est engagé résolument dans cette démarche, en particulier dans toutes les actions de développement d’instrumentation innovante qui bénéficieront pleinement à SOLEIL II, accélérant les développements et mutualisant leur coût.
Des lignes de lumière et stations expérimentales à la pointe de l’innovation instrumentale
Des développements instrumentaux innovants et une modernisation en profondeur seront nécessaires sur l’ensemble du portefeuille de lignes de lumière afin d’utiliser pleinement les caractéristiques uniques des faisceaux de lumière (brillance, cohérence et taille micrométrique) produits par les accélérateurs de SOLEIL II
Pour préserver la qualité du rayonnement synchrotron produit dans les accélérateurs, jusqu’à l’échantillon analysé, de nouvelles optiques, dont la forme sera contrôlée à l’échelle sub-nanométrique, doivent être conçues, fabriquées, puis validées. Par ailleurs, de nombreux défis d’ingénierie devront être relevés en particulier pour réaliser des dispositifs de nano-positionnement, assurer la stabilité mécanique et thermique, et développer davantage l’automatisation et la robotisation. La qualité des expériences effectuées sur les lignes de lumière dépendra également de l’intégration de détecteurs de nouvelle génération. Enfin, la gestion optimisée des flux de données produites au cours de ces expériences, ainsi que leur analyse, représentent un enjeu majeur et appellent à de nouvelles stratégies informatiques.
Les équipements seront adaptés et modernisés pour répondre aux nouvelles attentes des communautés scientifiques utilisatrices de SOLEIL II, par exemple l’accès à distance aux lignes de lumière, l’analyse et la visualisation des données expérimentales en temps réel, la capacité de mener les expériences dans des conditions toujours plus proches des conditions réelles de fonctionnement ou d’utilisation des objets étudiés. Combiner des mesures sur plusieurs lignes de lumière, à différentes échelles de taille, et ainsi profiter de large gamme de longueurs d’onde du rayonnement produit par SOLEIL, sera facilité avec SOLEIL II.
Tous ces développements ambitieux ont pour objectif de caractériser la matière inerte ou vivante du dixième de nanomètre jusqu’à quelques millimètres, d’étudier des phénomènes ultrarapides en temps réel, avec une sensibilité de détection considérablement améliorée. Ils offriront aux communautés scientifiques française et internationale des outils incomparables d’exploration des propriétés électroniques, magnétiques, chimiques et structurales de la matière.
La réalisation de ces développements bénéficiera de la mise en place de partenariats forts tant académiques qu’industriels, nationaux et internationaux.
Les données au cœur du projet grâce à une transformation numérique globale
De nouveaux services numériques exploiteront pleinement le potentiel du nouvel accélérateur et des lignes de lumière. Des techniques de calcul avancées comme l’apprentissage automatique (Machine Learning) interviendront pour contrôler les caractéristiques du faisceau d’électrons et appuyer le déroulement des projets expérimentaux sur les lignes de lumière. La robotique contribuera à utiliser au mieux le temps d’expérience disponible sur les lignes de lumière, y compris pour des expériences à distance. Afin de gérer le déluge de données issues de l’augmentation des expériences multi-techniques, les infrastructures du système d’information seront modernisées, en appui sur des centres nationaux de calcul et stockage.
Pour les Utilisateurs des lignes de lumière, la valeur ajoutée de SOLEIL II résidera également dans les outils de visualisation et d’analyse, la préservation des données, et les services d’accès et de recherche associés. En permettant le partage et l’ouverture des données, en ligne avec le Plan National pour la Science Ouverte, ces services maximiseront l’impact des expériences réalisées au synchrotron. Cette transformation sera basée sur une architecture modulaire, sécurisée et interconnectée, pour faciliter l’intégration de nouveaux services ainsi que l’évolution des services existants, et assurer leur adéquation à long terme avec les besoins techniques et scientifiques.
