Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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INTRODUÇÃO À MÁQUINA

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img-21Para produzir luz síncrotron é necessário o uso de aceleradores de partículas, capazes de produzir e controlar o movimento de partículas carregadas de alta energia em velocidades próximas à velocidade da luz. Uma fonte de luz síncrotron é composta por dois conjuntos principais de aceleradores de partículas: um Sistema Injetor e um Anel de Armazenamento.

 

O Sistema Injetor inclui um Acelerador Linear (ou Linac) e um Síncrotron Injetor (ou Booster) que são responsáveis pela produção do feixe de elétrons e sua aceleração até a energia de operação do Anel de Armazenamento. O Anel de Armazenamento é o acelerador principal, responsável pelo armazenamento dos elétrons por longos períodos de tempo.

 

No Sirius, o anel de armazenamento e o Booster são concêntricos e localizados no mesmo túnel circular. Com 518,4 metros de circunferência, o anel de armazenamento será instalado no perímetro maior do túnel, enquanto o Booster de 496,8 metros será instalado no perímetro menor. O Linac ficará em um túnel próprio de 32 metros de comprimento, conectado à parte interna do túnel.

 
Os aceleradores de partículas que formam a fonte de luz síncrotron são compostos de um conjunto de imãs que deflete e focaliza os elétrons; uma câmara de ultra-alto vácuo que delimita por onde os elétrons viajam e permite que permaneçam armazenados em um ambiente desobstruído; cavidades de radiofrequência, utilizadas tanto para acelerar os feixes de elétrons quanto para repor a energia perdida pelos elétrons na forma de radiação síncrotron; e um conjunto de sistemas auxiliares que permitem que o acelerador como um todo funcione.

ARMAZENAMENTO DE ELÉTRONS

Toda essa estrutura é necessária para que esse feixe ultrarrelativístico de elétrons fique armazenado por várias horas emitindo a luz que será usada para analisar a estrutura de diversos materiais, orgânicos e inorgânicos.

 

O injetor do Sirius é responsável pela produção do feixe de elétrons e sua aceleração até a energia de operação do anel de armazenamento, que será de 3 GeV. O injetor inclui um acelerador linear (Linac), o Booster ou síncrotron injetor e duas linhas de transporte, que são utilizadas para transferir os feixes de elétrons de um acelerador para outro.

 

O primeiro componente do injetor, o Linac, opera de forma pulsada. Duas vezes por segundo, um pulso de corrente será produzido pelo Linac e injetado no Booster. Em seguida, será acelerado no Booster até a energia final e ejetado para a segunda linha de transporte, sendo finalmente injetado no Anel de Armazenamento.

 

O Anel de Armazenamento é o acelerador principal, otimizado para manter os feixes de elétrons armazenados por longos períodos enquanto produzem a luz síncrotron. O anel de armazenamento da fonte de luz síncrotron Sirius é projetado para operar na energia de 3 GeV.

 

Em todo esse processo, vários equipamentos trabalham sincronizadamente para efetuar de forma otimizada a transferência do feixe de elétrons de uma máquina para outra.

Brilho e Emitância


As pesquisas que podem ser realizadas nas linhas de luz são intimamente ligadas à qualidade da luz produzida pela fonte. A qualidade de uma fonte de luz é caracterizada pelo seu brilho, definido como o número de fótons emitidos pela fonte em uma determinada faixa espectral de energia, por unidade de tempo, por unidade de tamanho e divergência angular da fonte. Quanto maior o brilho, melhor será a qualidade da fonte de luz.

 

Algumas aplicações científicas e métodos experimentais só podem ser realizados em fontes de luz com alto brilho e coerência. Assim, há uma busca constante pela construção de síncrotrons cada vez mais brilhantes, dentre os quais o Sirius se destaca por ser projetado para ter o maior brilho do mundo entre as fontes com sua faixa de energia.

 

Uma das formas mais efetivas para se aumentar o brilho das fontes de luz é pela redução de uma quantidade chamada emitância. A emitância de uma fonte de luz síncrotron é 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.

 

Por sua vez, a emitância, que é uma constante característica da máquina e depende apenas da configuração da rede magnética do Anel de Armazenamento, e é um dos principais parâmetros de uma fonte de luz síncrotron.

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 especificação da rede magnética é a etapa mais importante do projeto da fonte de luz. A evolução das fontes de luz no sentido da menor emitância e do maior brilho se dá pela inovação nos projetos de redes magnéticas e pelos desenvolvimentos tecnológicos que esses projetos suscitam. É a rede magnética que determina as características do feixe de elétrons e, consequentemente, da luz produzida. Por essa razão, é extremamente importante que haja uma grande conformidade entre a rede projetada e a realizada, o que impõe tolerâncias rígidas no que se refere a erros de construção, posicionamento e excitação dos componentes da rede.

 

Com esta rede, a emitância natural do Sirius atingirá um valor cerca de 360 vezes menor do que a emitância do UVX, a fonte de luz síncrotron atualmente em operação no LNLS. Este valor de emitância fará do Sirius uma das fontes de luz síncrotron de maior brilho no mundo.