Capter la lumière de millions de soleils
La revue spécialisée consacrée au nickel et à ses applications
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L’UNE DES COMPOSANTES CLÉS du nouveau synchrotron canadien : des chambres à ultra-vide comme celle-ci.
Les électrons sont générés et entreposés dans les chambres à vide avant d’entrer dans un accélérateur
linéaire.
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C’EST LE GENRE d’image que les scientifiques pourront voir une fois que le synchrotron sera tout à fait
opérationnel. Il s’agit ici d’une cellule d’algue vivante.
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LE FAISCEAU D’ÉLECTRONS pénètre dans un anneau de propulsion de 100 mètres de circonférence, fait d’acier
inoxydable S30403. Cet anneau, dont la coupe transversale révèle une forme elliptique, mesure 82,8 mm de
largeur et 32 mm de hauteur et l’épaisseur de ses parois est de 1,6 mm.
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CE DIAGRAMME ILLUSTRE comment le synchrotron fonctionne. Cliquer sur l’icône ci-dessous pour agrandir
l’image.
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L’acier inoxydable contribue à la réalisation du vide absolu. Par Carroll McCormick
Revue Nickel, Mars 2005 -- Un microscope requiert de la lumière et l’une des plus puissantes
sources de lumière au monde est récemment devenue opérationnelle.
L’installation qu’abrite l’Université de la Saskatchewan (Canada) est un synchrotron. Celui-ci produit des
électrons créant une lumière qui est des millions de fois plus brillante que celle de notre soleil. Les
chercheurs utilisent cette lumière aux fins de divers projets de conception et de fabrication.
Le synchrotron n’a rien d’un microscope de table : son système complexe de chambres à ultra-vide occupe 6
800 des
12 700 mètres carrés du Canadian Light Source (CLS) situé sur le campus.
On a utilisé de grandes quantités d’acier inoxydable, parmi lesquels les aciers S30400, S30403 et S31603 sont les plus communs, pour faire les chambres à ultra-vide, de même que dans des applications spécialisées telles que les statifs d’alliage K93600 qui procurent une stabilité dimensionnelle dans certains systèmes optiques.
Le besoin d’atteindre et de maintenir un vide de 10-11 torrs (un million de millions de fois
moins que la pression atmosphérique au niveau de la mer) détermine le choix de matériau, et le niveau ciblé
constitue un défi : le CLC a ouvert ses portes en
octobre 2004, mais il faudra toute une année avant qu’un ultra-vide puisse être réalisé.
Pour y arriver, on doit retirer le plus grand nombre possible de molécules. En plus de ralentir le faisceau d’électrons, les impuretés diffractent ces derniers, à peu près comme le brouillard diffuse le faisceau lumineux des phares d’une voiture. Selon Mark de Jong, directeur des opérations du CLC, certains synchrotrons sont faits de cuivre ou d’aluminium, mais il est plus courant d’avoir recours à l’acier inoxydable pour leur construction.
Les composantes d’une chambre à vide doivent être étuvées dans d’énormes fours pendant 40 longues heures, à des températures atteignant 250 ºC. L’aluminium commence à perdre de sa robustesse à 150 ºC, mais non pas l’acier inoxydable; une telle caractéristique est essentielle étant donné que les composantes sont étuvées sous vide. « L’acier inoxydable ne perd pas de sa résistance sous l’effet des pressions que nous utilisons généralement lors de l’étuvage, » confirme Mark de Jong.
L’étuvage sert à expulser les gaz tels que la vapeur d’eau, l’argon, l’oxygène, l’hélium, l’azote, l’hydrogène et le monoxyde de carbone, absorbés pendant le procédé de fabrication. De plus, les composantes de métal sont soumises à un lavage faisant partie du dégraissage. M. Mark de Jong déclare ce qui suit : « Nous voulons empêcher qu’il y ait des hydrocarbures quelconques à l’intérieur. Ce qu’il faut éviter absolument c’est l’huile de coupe à base de soufre, qui peut rester une éternité. »
La société Johnsen Ultravac (Ontario, Canada) utilise l’acier inoxydable S30400 dans certaines des chambres à vide qu’elle fabrique. Cet acier est peu coûteux, en comparaison avec d’autres métaux. Il est aussi facile à usiner et à souder, en plus d’être suffisamment dur pour pénétrer dans les joints de cuivre. Le grand nombre de raccords, de brides, de pompes ioniques et de tubes électroniques sont toujours faits d’acier inoxydable, de façon que leur assemblage à des métaux semblables simplifie l’ingénierie.
Comment le synchrotron fonctionne
Le CLC produit une lumière correspondant à des longueurs d’onde variant de l’infrarouge aux rayons X. Un chercheur peut avoir besoin d’utiliser la lumière d’une longueur d’onde qui convient pour éclairer des échantillons à une limite de résolution spatiale de 100 nanomètres. Un autre choisira une lumière qui interagit avec les échantillons, pour déterminer, par exemple, la chimie d’un échantillon prélevé dans l’environnement, dans des proportions de 2 micromètres sur 2 micromètres. Un autre encore se servira des rayons X pour imprimer des cartes de circuits imprimés ou pour tailler le pas d’une roue d’engrenage, selon des dimensions de l’ordre du micromètre.
Les électrons sont générés et entreposés dans une série de chambres à vide. Dans la première, un canon à électrons (qui est en fait un énorme condensateur) produit les électrons et les envoie dans un accélérateur linéaire. Celui-ci les soumet à une force accélératrice jusqu’à ce qu’ils atteignent 250 millions d’électrons-volts (eV) et 99,9 % de la vitesse de la lumière.
Le faisceau d’électrons pénètre ensuite dans un anneau de propulsion (AP) de 100 mètres (m) de circonférence, fait d’acier S30403. Cet anneau, dont la coupe transversale révèle une forme elliptique, mesure 82,8 millimètres (mm) de largeur et 32 mm de hauteur et l’épaisseur de ses parois est de 1,6 mm. On fabrique l’AP en faisant rouler doucement un tuyau de 60,3 mm de diamètre, jusqu’à l’obtention de la forme appropriée. De puissantes ondes radioélectriques permettent d’accroître l’énergie du faisceau d’électrons qui circulent à l’intérieur de l’AP jusqu’à 2,9 milliards eV et de les accélérer pour qu’ils atteignent 99,99999 % de la vitesse de la lumière.
Le faisceau d’électrons est ensuite orienté vers un anneau de stockage (AS) de 171 m de circonférence. Cet anneau, dont la coupe transversale est également de forme elliptique, ne mesure que 100 mm de largeur sur 30 mm de hauteur et l’épaisseur de ses parois est de 3 mm. On le forme à partir d’une tôle d’acier S31603 pliée, puis soudée à l’électrode de tungstène (TIG), ce qui laisse un joint soudé dans le sens de la longueur.
Disposés à quelques mètres les uns des autres le long de l’AP et de l’AS, se trouvent des groupes d’électroaimants, qui concentrent le faisceau d’électrons et le maintiennent au centre des anneaux. Des pompes à vide (il y en a 28 le long de l’AP et 70 le long de l’AS) retirent constamment des anneaux les molécules indésirables. Chacune comporte un cylindre d’acier S30400 dont l’épaisseur des parois est de 2 à 3 mm et qui est relié à l’anneau.
Un demi-kilomètre de tuyaux d’acier inoxydable de 20,32 centimètres (cm) et un autre demi-kilomètre de tuyaux également d’acier inoxydable mais de 7,62 cm, transportent de l’eau désionisée qui sert à refroidir l’électroaimant ainsi que les blocs de cuivre absorbant les rayons X, dans les cylindres des pompes d’acier inoxydable. On a choisi les aciers S31600 et S31603 parce que l’eau désionisée corrosive parviendrait à dissoudre l’acier au carbone.
Lorsqu’on atteint enfin le vide parfait, le faisceau d’électrons peut circuler dans l’anneau de stockage pendant une période de huit à dix heures, avant que les opérateurs ne soient obligés de produire un nouveau lot d’électrons.
La dernière étape consiste à recueillir les photons émis à partir du faisceau d’électrons. Les photons s’échappent de ce dernier en suivant une tangente, à l’intérieur de l’AS, par les ouvertures pratiquées dans l’AS et dans des tuyaux droits appelés « lignes de faisceau », qui sont jusqu’à maintenant au nombre de huit au CLC; ce dernier peut en contenir jusqu’à 30. Chaque ligne de faisceau comporte également des chambres à vide remplies de fibres optiques qui permettent de choisir des longueurs d’ondes précises et de les diriger vers la dernière étape de leur parcours aux stations de recherche.
Le CLC attirera des milliers de chercheurs d’un peu partout dans le monde, aux fins de centaines d’utilisations, depuis la compréhension de la fonction des protéines jusqu’à l’imagerie médicale de tumeurs, en passant par la recherche en géochimie.
Carroll McCormick est un collaborateur indépendant établi à
Montréal.
ILLUSTRATIONS : Canadian Light Source Inc.
 Mark de Jong |
