Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

English

FÍSICA DE ACELERADORES

VOLTAR

CONTATO


Líder: Liu Lin
Telefone: +55 19 3512 1047
E-mail: liu@lnls.br

O Grupo de Física de Aceleradores (FAC) do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) estuda a interação de feixes de partículas carregadas com os campos eletromagnéticos presentes nos aceleradores que compõem uma Fonte de Luz Síncrotron.

 

Para produzir luz síncrotron é necessário que um feixe de elétrons ultrarrelativísticos, ou seja, com velocidade muito próxima à da luz, seja mantido em condições estáveis. A luz síncrotron é então emitida quando estes elétrons são acelerados em trajetórias curvas. Para que todo esse processo possa ocorrer utiliza-se um conjunto de aceleradores de partículas. Tanto para a atual fonte de luz síncrotron UVX como para a nova fonte de luz síncrotron Sirius, os elétrons são produzidos e acelerados em um sistema injetor, composto de um acelerador linear e um acelerador circular, e mantidos no anel de armazenamento principal, onde circulam em órbitas estáveis por muitas horas emitindo a luz síncrotron que é conduzida às estações experimentais, chamadas Linhas de Luz.

 

As atividades da FAC envolvem o projeto dos aceleradores, a especificação de tolerâncias e parâmetros dos subsistemas, além de seu comissionamento e operação. Para isso, são utilizadas diversas ferramentas de otimização e simulação da dinâmica de um feixe de elétrons ultrarrelativísticos em campos eletromagnéticos. A FAC também oferece esporadicamente cursos básicos em Dinâmica de Feixe, provendo assim, fundamentação teórica para outros grupos do LNLS envolvidos com a engenharia dos aceleradores.

MEMBROS

Liu LinEspecialista Líder
Alexandre Beo da CruzEstágio - Nível Superior
Ana Clara de Souza OliveiraEstágio - Nível Superior
Fernando Henrique de SaEspecialista
Guilherme Lima do PradoAnalista de Desenvolvimento Tecnológico
Ximenes Rocha ResendeEspecialista

FOTOS

FAC: Abertura Dinâmica / Dynamic Aperture



Português:
Abertura dinâmica do anel de armazenamento do Sirius.

English:
Dynamic Aperture of the Sirius Storage Ring.

FAC: Funções Óticas / Optical Functions



Português:
Funções óticas do anel de armazenamento do Sirius.

English:
Optical Functions of the Sirius Storage Ring.

FAC: Trajetórias no Espaço de Fase / Phase Space Trajectories



Português:
Trajetórias no espaço de fase horizontal no Sirius.

English:
Horizontal Phase Space Trajectories in Sirius.

FAC: Dinâmica da Injeção de Elétrons / Electron Injection Dynamics



Português:
Dinâmica da injeção de elétrons no anel.

English:
Electron Injection Dynamics in the Storage Ring

Abertura Dinâmica

 

 Português: Abertura dinâmica do anel de armazenamento do Sirius. Chamamos de “abertura dinâmica” a região (x,y na figura acima) dentro da qual o movimento dos elétrons armazenados é estável. Ser estável significa que o elétron é capaz de permanecer na órbita circular em torno do anel, viajando a uma velocidade próxima à da luz, durante muitas horas, mesmo na presença de forças não-lineares que tornam o movimento bastante complexo, e mesmo na presença de pequenas perturbações que tendem a desestabilizar o movimento. A figura acima mostra o resultado de simulações numéricas de ‘tracking’ de elétrons, onde o anel de armazenamento é modelado em computador, e perturbações aleatórias são introduzidas. O código de cores representa a probabilidade do elétron com coordenadas (x, y) sobreviver no anel: o azul na região central indica probabilidade de sobrevivência próxima a 100% e o vermelho nas laterais, 0%. A região colorida na borda da região estável indica que o movimento é caótico nesta região. A maximização da abertura dinâmica é uma das atividades do Grupo de Física de Aceleradores que envolve otimização da dinâmica não-linear dos elétrons no anel. English:

Chamamos de “abertura dinâmica” a região (x,y na figura acima) dentro da qual o movimento dos elétrons armazenados é estável. Ser estável significa que o elétron é capaz de permanecer na órbita circular em torno do anel, viajando a uma velocidade próxima à da luz, durante muitas horas, mesmo na presença de forças não-lineares que tornam o movimento bastante complexo, e mesmo na presença de pequenas perturbações que tendem a desestabilizar o movimento. A figura acima mostra o resultado de simulações numéricas de ‘tracking’ de elétrons, onde o anel de armazenamento é modelado em computador, e perturbações aleatórias são introduzidas. O código de cores representa a probabilidade do elétron com coordenadas (x, y) sobreviver no anel: o azul na região central indica probabilidade de sobrevivência próxima a 100% e o vermelho nas laterais, 0%. A região colorida na borda da região estável indica que o movimento é caótico nesta região. A maximização da abertura dinâmica é uma das atividades do Grupo de Física de Aceleradores que envolve otimização da dinâmica não-linear dos elétrons no anel.

Funções Ópticas

 

O gráfico mostra as funções óticas do anel de armazenamento do Sirius. Estas funções descrevem o movimento dos elétrons na rede magnética do acelerador e definem o principal fator de mérito que carateriza a qualidade da fonte de luz síncrotron: a emitância do feixe de elétrons, diretamente relacionada ao brilho da luz produzida. O Grupo de Física de Aceleradores do LNLS foi responsável pelo projeto da rede magnética do Sirius, que resultou nas funções óticas acima, gerando uma fonte de alto brilho. Em verde temos a função dispersão horizontal e em azul e vermelho, as chamadas funções bétatron horizontal e vertical.

Trajetórias no espaço de Fase

 

A figura mostra a trajetória dos elétrons no espaço de fase horizontal no Sirius. O espaço de fase (x, x’) representa a posição x e o ângulo x’ do elétron em relação a uma órbita de referência, em uma determinada posição longitudinal no anel. Fazendo uma analogia com o movimento de um carro de corrida em uma pista fechada, é como se descrevessemos a posição e o ângulo de um carro quando passa em uma determinada posição da pista, por exemplo, na posição em que você está assistindo à corrida. A cada volta, você registra as coordenadas (x, x’) do carro. Na figura acima representamos as coordenadas de elétrons no ponto de injeção do anel após sucessivas voltas, para diversas amplitudes iniciais. Vemos que para amplitudes pequenas obtemos trajetórias elípticas, que vão se deformando à medida que a amplitude aumenta. O grau de deformação revela o efeito das não-linearidades da dinâmica dos elétrons.

Dinâmica da injeção de elétrons no anel

 

A figura mostra a dinâmica da injeção de elétrons no anel. A linha preta que delimita uma forma ovóide representa a aceitância horizontal no ponto onde os elétrons são injetados no anel. A aceitância é a região no espaço de fase (x, x’) em que o movimento dos elétrons permanece restrito. Nesta região a amplitude do movimento tende a amortecer até um valor de equilíbrio e, fora dela, tende a aumentar até que o elétron se perca. Aqui geramos 1000 partículas (em azul) representando o feixe de elétrons assim que é injetado no anel, logo após ser defletido por um magneto pulsado especialmente projetado para o processo de injeção. Em vermelho, verde e amarelo vemos o feixe consecutivamente após as três primeiras voltas no anel, e em cinza após as 210 voltas seguintes. A cada volta a amplitude do feixe vai diminuindo até que, após milhares de voltas, atinge o regime estacionário representado pelos pontos pretos no centro da figura. Como a velocidade dos elétrons é muito alta, tudo isso ocorre em apenas alguns milésimos de segundos.