Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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História das Fontes de Luz Síncrotron

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A luz, ou radiação, síncrotron é um tipo de radiação eletromagnética de alto fluxo e alto brilho que se estende por uma faixa ampla do espectro eletromagnético desde a luz infravermelha, passando pela radiação ultravioleta e chegando aos raios X. Ela é produzida quando partículas carregadas, aceleradas a velocidades próximas à velocidade da luz, têm sua trajetória desviada por campos magnéticos.

Descoberta


A emissão de radiação por elétrons acelerados a velocidades relativísticas e sujeitos a uma força perpendicular a seu movimento devido a campos magnéticos em um acelerador de partículas foi prevista teoricamente pela primeira vez por Dmitri Iwanenko e Isaak Pomeranchuk em 1944 (Physical Review vol.65, p. 343, On the maximal energy attainable in betatron).

A comprovação experimental não tardou, e em 1947 ocorreu a primeira observação desta radiação nos laboratórios de pesquisa da General Electric. Ela foi realizada em um acelerador de partículas do tipo síncrotron, com elétrons acelerados até a energia de 70 MeV (que corresponde a 99,997% da velocidade da luz).

Num acelerador síncrotron, o feixe de partículas carregadas é guiado em órbitas circulares por um conjunto de eletroímãs. O campo magnético produzido pelos eletroímãs depende do tempo e age de forma sincronizada sobre as partículas, que a cada volta possuem velocidades e, portanto, energias cada vez maiores. Daí vem o nome acelerador síncrotron e é devido a esse tipo de acelerador em que foi observada que a radiação recebeu o nome de radiação ou luz síncrotron.

Mais tarde, em 1956, no acelerador síncrotron de 320 MeV de da Universidade de Cornell, EUA, foram realizados os primeiros experimentos de espectroscopia na região de ultravioleta com a utilização da radiação produzida no acelerador. Assim é dada a largada para a utilização da radiação síncrotron como ferramenta de investigação da composição e estrutura dos mais diversos materiais.

Primeira Geração


Nas décadas de 50 e 60, aceleradores de partículas dedicados a pesquisa na área de física nuclear foram modificados para permitir um acesso contínuo a pesquisadores que desejassem trabalhar com a radiação síncrotron. Foi o caso, por exemplo, do DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron ou Síncrotron de Elétrons Alemão) na Alemanha.

A partir do final da década de 60 e início de 70, começam a surgir os aceleradores de partículas baseados em anéis de armazenamento, um tipo de acelerador síncrotron capaz de manter os feixes de partículas circulando por longos períodos de tempo, repondo a energia perdida pelas partículas devido à emissão de radiação.

Para a física nuclear e de partículas, um anel de armazenamento aumenta o controle sobre onde e como as partículas aceleradas colidirão entre si ou com um alvo. Para os cientistas interessados em utilizar a radiação síncrotron, o anel de armazenamento faz com que a produção dessa radiação seja contínua, garantindo longos períodos de exposição das amostras que desejassem analisar.

Estes eram, no entanto, equipamentos para investigação em física nuclear ou física de partículas e não eram projetados ou utilizados exclusivamente para a produção de luz síncrotron. A utilização da radiação síncrotron nessas circunstâncias era chamada de operação parasítica e esses aceleradores não especializados são considerados a primeira geração de fontes de luz síncrotron.

Segunda Geração


Com o sucesso da utilização da radiação síncrotron em experimentos por diferentes áreas de pesquisa, começaram a surgir equipamentos projetados de forma otimizada para sua produção e dedicados exclusivamente para o seu uso. Essa ficou conhecida como a Segunda Geração de fonte de luz síncrotron.

O primeiro síncrotron dessa nova geração foi o Synchrotron Radiation Source (SRS) em Daresbury, no Reino Unido. Ele iniciou sua operação em 1981, com energia de 2 GeV. Em outros países desenvolvimentos semelhantes estavam ocorrendo com a construção de novas fontes de luz síncrotron, ou conversão de antigos aceleradores em fontes.

Nessas fontes de segunda geração, assim como em outros aceleradores síncrotron, a luz síncrotron é produzida quando a trajetória do feixe de elétrons é curvada por campos magnéticos produzidos em ímãs dipolos. No entanto, todo o conjunto de imãs da máquina, chamada de rede magnética, é projetado para produzir a maior quantidade e melhor qualidade de radiação síncrotron possível.

Com o aumento da qualidade das fontes de luz síncrotron, aumentou também tanto a quantidade de usuários de diversas áreas do conhecimento como o número de técnicas experimentais disponíveis. Assim, ficou clara a importância de se desenvolver fontes de luz síncrotron cada vez maior brilho, isto é, que produzissem cada vez mais luz de forma cada vez mais focalizada.

Isso é alcançado pela redução da emitância da máquina, uma medida do tamanho e da divergência angular do feixe de elétrons. Quanto melhor colimado for o feixe de elétrons, ou seja, quanto menor a emitância, maior é o brilho da fonte de luz síncrotron.

Terceira Geração


A terceira geração de fontes de luz síncrotron foi caracterizada não só pelo avanço nos projetos dos aceleradores, desenhados para terem menores emitâncias como também por ser otimizada para o uso dos chamados dispositivos de inserção.

Dispositivos de inserção são equipamentos que provocam oscilações na trajetória do feixe de elétrons produzidas pelo campo magnético de uma sucessão de polos magnéticos alternados. A luz síncrotron assim produzida é muito mais brilhante que a produzida nos ímãs dipolos da rede magnética.

As fontes dessa geração começaram a surgir na década de 90, como:

  • Elettra, de 2 GeV em Trieste, Itália (1993);
  • ESRF, de 6 GeV em Grenoble, França (1994);
  • ALS, de 1.9 GeV em Berkeley, EUA (1994);
  • MAX-II de 1.5 GeV, em Lund, Suécia (1996);
  • APS, de 7 GeV em Argonne, EUA (1996);
  • SPring8, de 8 GeV em Koutu, Japão (1997);
  • BESSY-II, de 1.7 GeV em Berlim, Alemanha (1998).

Outros foram construídos ao longo da década seguinte, no Canadá, Austrália, França, Inglaterra, Suécia, China, Suíça, Espanha, Alemanha, EUA, Coréia, Taiwan, dentre outros países.

O UVX, atual fonte de luz síncrotron do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) foi projetado como um síncrotron de segunda geração e inaugurado em 1997. No entanto, diversos aprimoramentos foram feitos e, atualmente, três de suas Linhas de Luz utilizam radiação síncrotron produzida por dispositivos de inserção.

Quarta Geração


Desenvolvimentos tecnológicos recentes permitiram a definição de uma quarta geração de fontes de luz síncrotron, baseadas em anéis de armazenamento, com máquinas capazes de atingir “ultrabaixa” emitância por meio de desenhos inovadores da rede magnética, o conjunto de imãs que controla a trajetória do feixe de elétrons.

Nessa nova geração, uma fonte já está em operação – MAX-IV, na Suécia – e uma está em construção – Sirius, no Brasil – com início de operação previsto para 2019. Ainda, outras fontes ao redor do mundo já estão planejando aprimoramentos como: ESRF-II, em Grenoble, França; APS-U, em Argonne, EUA; SPring8-II, em Koutu, Japão.