Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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O que é uma fonte de luz síncrotron?

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Uma Fonte de Luz Síncrotron é uma máquina de grande porte, projetada para produzir a luz síncrotron, com a função de desvendar a estrutura molecular e a estrutura eletrônica dos diferentes materiais para compreender as suas propriedades fundamentais. Hoje, elas são a melhor ferramenta já criada pela ciência com essa finalidade, e estão em constante aprimoramento, para que possam fornecer cada vez mais informações sobre a matéria, com resolução e detalhamento cada vez maior.

A criação de uma máquina tão complexa é produto de toda uma história de desenvolvimentos de ferramentas que permitiram ao homem observar a matéria com cada vez mais detalhamento, e que são decisivas para o avanço científico.

A versatilidade das fontes de luz síncrotron permite o estudo da matéria nas suas mais variadas formas e aplicações em praticamente todas as áreas do conhecimento científico e tecnológico, como física, química, engenharia dos materiais, nanotecnologia, biotecnologia, farmacologia, medicina, geologia e geofísica, agricultura, oceanografia, petróleo e gás, paleontologia e muitas outras.

Para produzir radiação síncrotron é necessário manter elétrons viajando em velocidades próximas à da luz. Ao terem sua trajetória desviada por campos magnéticos essas partículas emitem luz síncrotron. As fontes de luz síncrotron são compostas por três de aceleradores de partículas: um acelerador linear – ou Linac, um acelerador injetor – ou Booster – e um Anel de Armazenamento.

Acelerador Linear


Inicialmente, um feixe de elétrons é emitido a partir de um cátodo e é acelerado por campos eletrostáticos no chamado canhão de elétrons.

A seguir, os elétrons são injetados no acelerador linear, onde continuam a ser acelerados e ao final deste, já com velocidades próximas à da luz, os elétrons são conduzidos ao acelerador injetor, por meio de uma linha de transporte composta por eletroímãs.

Acelerador Injetor


O Acelerador Injetor, ou Booster, é um acelerador circular que tem o papel de aumentar a energia dos elétrons desde o nível de energia do Linac até a energia de operação do Anel de Armazenamento.

Ao entrarem no Booster, os elétrons são acelerados por cavidades de radiofrequência e, quando atingem seu nível de energia final, são injetados no Anel de Armazenamento por meio de outra linha de transporte.

Tanto Booster quando Anel de Armazenamento são aceleradores circulares. Em ambos, os elétrons são mantidos em órbitas estáveis por um conjunto de imãs que compõem a chamada rede magnética. As redes magnéticas possuem imãs de características particulares para a função de cada acelerador.

REDE MAGNÉTICA


A rede magnética é o conjunto de imãs responsáveis por defletir e focalizar o feixe de elétrons, definindo o caminho pelo qual transitam. A rede magnética é uma combinação meticulosamente projetada de imãs dipolos, responsável por curvar a trajetória dos elétrons, quadrupolos e sextupolos que têm como função focalizar e corrigir a trajetória do feixe de elétrons. A escolha da rede magnética tem um impacto direto sobre as características do feixe de elétrons e da luz produzida.

A Rede Magnética do Anel de Armazenamento é composta, basicamente, por três tipos de ímãs: dipolos, quadrupolos e sextupolos. Os ímãs da rede magnética formam células básicas que compõem os superperíodos. Um anel de armazenamento é formado por diversos superperíodos, compostos por seções em arco, conectadas entre si por trechos retos longos.

O dipolo é o elemento responsável pela deflexão da trajetória dos elétrons, definindo a órbita de referência em torno da qual os elétrons permanecerão armazenados. Os quadrupolos são responsáveis pela focalização do feixe e o sextupolo é utilizado para corrigir a aberração cromática resultante da ação dos quadrupolos sobre um feixe com dispersão de energia finita.

Anel de Armazenamento


Quando os elétrons com alta energia e em alta velocidade têm sua trajetória desviada por campos magnéticos, eles produzem um tipo de radiação de amplo espectro magnético e alto brilho, conhecida como luz sincrotron. Assim, radiação síncrotron é emitida na passagem dos elétrons pelos dipolos, o que faz deles locais naturais para saída de linhas de luz. Síncrotrons que usam prioritariamente linhas de luz de dipolos são chamados de síncrotrons de segunda geração.

Dispositivos de Inserção: Os trechos retos são especialmente projetados para acomodar os dispositivos de inserção, equipamentos que provocam oscilações na trajetória do feixe. Essas oscilações são produzidas por campos magnéticos gerados por uma sucessão de polos magnéticos alternados. Há emissão de luz síncrotron a cada oscilação da trajetória. Nos síncrotrons de terceira e quarta gerações a radiação é emitida preferencialmente através desses dispositivos, como será o caso na nova fonte de luz síncrotron brasileira de quarta geração denominada Sirius.

Existem dois tipos básicos de dispositivos de inserção: os wigglers e os onduladores. A diferença principal entre eles é, basicamente, dada pela amplitude das oscilações de órbita dos elétrons e pela abertura angular da radiação emitida.

Nos wigglers, o desvio angular das oscilações de órbita é muito maior que a abertura da radiação o que faz com que não haja interferência entre a radiação emitida por cada polo. Entretanto, se há N polos, ocorre um ganho de intensidade por um fator N quando comparado com emissão de um dipolo.

Já nos onduladores, o desvio da órbita é da mesma ordem da abertura angular da radiação emitida. Com isso, ocorre interferência entre as ondas emitidas a partir de cada polo e o espectro emitido consiste de linhas nas frequências em que há interferência construtiva. A intensidade da radiação dessas linhas, quando comparada a de um dipolo, tem um aumento proporcional a N x N.

Linha de Luz


Após sua produção nos aceleradores, a luz síncrotron é guiada para as estações experimentais, chamadas Linhas de Luz, instaladas ao redor do anel de armazenamento. É nas linhas de luz que a radiação passa pelas amostras a serem analisadas, possibilitando as medições experimentais.

As fontes de luz síncrotron comportam diversas linhas de luz, e nelas são realizados experimentos usando diferentes técnicas, como espectroscopia do infravermelho ao raio X, espalhamento de raios X, cristalografia, tomografia e outras.

Os requisitos técnicos de uma linha de luz dependem das características do feixe de luz que serão necessárias para iluminar as amostras nas análises que se pretende realizar (tais como resolução de energia, tamanho e divergência), bem como da sua interação com o sistema de detecção.

Cada linha de luz é composta por quatro sistemas principais: a fonte de radiação, o front-end, a ótica e a estação experimental (com seus detectores e porta-amostras), além de um conjunto de elementos de infraestrutura.