EUROPEAN XFEL (laser européen à électrons libres et à rayons X)

Le XFEL s’étend sur deux communes : le générateur d’électrons est situé sur le campus de Desy, à Hambourg, et les laboratoires et l’administration près de la ville de Schenefeld, dans le Schleswig-Holstein. Un tunnel de 3,4 kilomètres, creusé entre 6 et 38 mètres de profondeur, relie les deux sites. Dans ce tunnel sont placés la source d’électrons, l’accélérateur linéaire supraconducteur, l’ondulateur et les faisceaux à l’extrémité desquels se trouvent les détecteurs utilisés dans les expériences. Les électrons injectés à une énergie de 125 millions d’électrons-volts (MeV) sont progressivement accélérés dans un accélérateur linéaire long de 2,1 kilomètres, par passage dans une série de cavités résonantes supraconductrices, jusqu’à atteindre l’énergie de 17,5 gigaélectron-volts (GeV). Ce faisceau d’électrons relativistes (dont la vitesse est voisine de celle de la lumière) passe alors dans un jeu de champs magnétiques intenses appelé ondulateur, où les électrons sont contraints de suivre des trajectoires courbes. Ils perdent alors une partie de leur énergie pour émettre des rayons X dans une gamme de longueurs d’onde allant de 0,05 à 4 nanomètres. L’interaction des rayons X avec les électrons dans un dispositif suivant, dit d’amplification autonome (self-amplified spontaneous emission process, ou SASE), produit des salves de rayons X (jusqu’à 27 000 par seconde). In fine, la haute énergie des électrons permet de produire des rayons X de longueur d’onde très courte et par ailleurs modulable, permettant l’observation des atomes ; la brillance (nombre de photons pour une longueur d’onde donnée) peut atteindre un niveau un milliard de fois plus grand que dans le cas d’un rayonnement synchrotron (10 000 en service courant), ce qui facilite la détection des signaux ; les pulses sont de durée très faible, de l’ordre de 100 femtosecondes (1 fs = 10^–15 s), ce qui est compatible avec la cinétique d’une réaction chimique ou enzymatique. Des équipements de détect [...]