Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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SUBSISTEMAS DOS ACELERADORES DE ELÉTRONS

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Para se construir uma fonte de luz síncrotron é preciso prover condições de estabilidade para que um feixe ultrarrelativístico de elétrons fique armazenado por várias horas emitindo radiação.

 

Além da rede magnética, o conjunto de imãs que deflete e focaliza o feixe de elétrons, é necessário para o acondicionamento do feixe de elétrons:

 

a) uma câmara de ultra-alto vácuo que delimita a região de trânsito dos elétrons e permite que o feixe permaneça armazenado em um ambiente desobstruído;

 

b) cavidades de radiofrequência, utilizadas para repor a energia perdida pelos elétrons na forma de radiação;

 

c) um conjunto de sistemas auxiliares que permitem que o acelerador de partículas funcione como um todo.

 

Os principais subsistemas que compõem os aceleradores de uma fonte de luz síncrotron estão descritos a seguir.

SISTEMA DE VÁCUO


O sistema de vácuo delimita o ambiente em que o feixe de elétrons trafega sob efeito de campos eletromagnéticos. Este ambiente deve ser praticamente livre de moléculas de gás, pois colisões entre o feixe de elétrons e moléculas de gás podem levar à perda de elétrons armazenados e a uma rápida queda na corrente do feixe.

 

A pressão média ao longo do ambiente de vácuo de mais de 500 metros de comprimento para o anel de armazenamento do Sirius deve ser um trilhão de vezes menor que a pressão atmosférica. Este valor corresponde ao que se convencionou chamar de ultra-alto vácuo e requer várias técnicas especiais para sua produção.

 

O ambiente de vácuo é fisicamente delimitado pelas câmaras de vácuo. No anel de armazenamento do Sirius, a câmara de vácuo na região dos quadrupolos e sextupolos será cilíndrica, com o raio da região livre para os elétrons de 12 mm, valor consideravelmente menor que os valores usualmente utilizados nas fontes de luz síncrotron atuais. Como comparação, o raio da câmara de vácuo do anel UVX é de 30 mm.

 

O tamanho reduzido da câmara de vácuo traz várias consequências, entre as quais está a necessidade de bombeamento distribuído com a tecnologia NEG (Non evaporable getters). O NEG é um filme fino depositado sobre a superfície interna das câmaras de vácuo com capacidade de aprisionar gases, proporcionando um efeito de bombeamento de vácuo. A tecnologia para deposição destes filmes foi estabelecida e testada no LNLS, após acordo com o CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear).

SISTEMA DE RADIOFREQUÊNCIA


No anel de armazenamento o sistema de radiofrequência (ou sistema de RF) repõe a energia perdida pelo feixe de elétrons, principalmente devido à emissão de luz síncrotron.

 

Os principais elementos do sistema de RF são as cavidades de RF, estruturas metálicas que confinam campos eletromagnéticos oscilando na faixa de micro-ondas, cujo modo fundamental de ressonância possui um campo elétrico oscilante longitudinal, na direção de propagação dos elétrons. As cavidades de RF são parte da câmara de vácuo do anel. Ao atravessar a cavidade na fase correta de oscilação do campo elétrico o feixe recebe a energia necessária para repor a que foi perdida ao longo de sua trajetória.

 

Acoplado às cavidades existe um sistema de RF de baixa e alta potência, que inclui circuitos de controle, amplificadores de potência e linhas de transmissão. A potência total de RF necessária inclui também perdas nas próprias cavidades de aceleração, nos guias de onda e componentes da linha de transmissão entre o gerador e as cavidades.

 

Cada cavidade supercondutora fica alojada em um criostato, imersa em hélio líquido a uma temperatura de 4,5 K (o equivalente a -268,65°C). A operação dessas cavidades requer a instalação de uma complexa planta criogênica para recuperação e liquefação de hélio. Este sistema inclui uma série de equipamentos, tais como o liquefator, reservatório, compressores, linhas de transferência de alta isolação térmica e controle de pressão e nível de hélio nas cavidades.

SISTEMA DE INJEÇÃO PULSADA


O sistema de injeção pulsada é responsável pelo processo que permite que o feixe proveniente do injetor seja inserido no anel de armazenamento. Nesse processo, o feixe injetado deve se somar ao feixe que já está armazenado no anel. A corrente produzida pelo injetor é apenas uma fração pequena da corrente almejada, sendo necessários vários pulsos do injetor para atingir a corrente final de operação.

 

Durante a operação normal do anel, o sistema injetor repõe a corrente perdida naturalmente em função do tempo de vida finito do feixe, mantendo a corrente armazenada praticamente constante. Este modo de operação é conhecido como injeção top-up e requer que o processo de injeção seja bastante preciso para não perturbar o feixe já estocado no anel. Isso é conseguido com o uso de magnetos pulsados conhecidos como septa e kickers.

 

Os septa são posicionados na região em que a câmara de vácuo da linha de transporte que traz o feixe do injetor tangencia e se acopla à câmara de vácuo do anel. Os septa produzem um campo magnético pulsado que é intenso na região da linha de transporte e cai a zero em uma distância muito curta para não afetar o feixe estocado durante o pulso de injeção. Já os kickers produzem uma deflexão localizada do feixe estocado para que a órbita passe perto do feixe injetado somente durante o processo de injeção.

 

O mecanismo de injeção requer um sistema responsável pela sincronização dos vários equipamentos que fazem parte do sistema de injeção como um todo. Esse sistema deve ser capaz de gerar e distribuir sinais com resolução temporal muito menor do que 1 nanossegundo, configuráveis pulso-a-pulso, com jitter inferior a 1 picossegundo rms. Os sinais serão utilizados para disparar eventos tanto na fonte, quanto nas linhas de luz.

SISTEMA DE CONTROLE


O sistema de controle permite que todos os outros sistemas trabalhem dentro dos parâmetros desejados, sendo responsável pelo envio, leitura e controle dos mais diversos parâmetros dos equipamentos que compõem a fonte. É uma rede de comunicação que interliga todos os sistemas e equipamentos e disponibiliza controle e parâmetros aos programas de alto nível que controlam a operação da fonte com em torno de oito mil pontos de controle, com cerca de duas mil interfaces microprocessadas ligadas a cerca de 400 computadores.

 

É um sistema complexo e entre os grandes desafios associados a esse sistema está a obtenção tempos de resposta de poucos microssegundos nos diversos subsistemas, dentro do necessário para uma operação estável e confiável dos aceleradores, o que implica em sistemas de comunicação rápidos e sem os gargalos admissíveis em sistemas de comunicação digital convencionais. O sistema de controle será desenvolvido e implementado com o uso do ambiente de programação e desenvolvimento EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System), padrão de sistemas de controle utilizado em vários outros laboratórios.

SISTEMA DE DIAGNÓSTICO E FEEDBACK


Os elementos e sistemas de diagnóstico e feedback são responsáveis por monitorar e corrigir dinamicamente parâmetros dos feixes de elétrons e de fótons nas diversas partes do complexo de aceleradores e linhas de luz, e são essenciais para garantir a alta estabilidade e confiabilidade da fonte de luz síncrotron.

 

Diversos equipamentos de monitoração, diagnóstico e correção de parâmetros da fonte de luz fazem parte destes sistemas como:  monitores de posição do feixe de elétrons; monitores de posição do feixe de fótons; monitores de corrente do feixe; monitores de frequências de oscilação do feixe e atuadores para correção de desvios de órbita e frequências de oscilação.

 

A confiabilidade e o projeto adequado dos sistemas de diagnóstico e feedback são fundamentais, não só para o comissionamento rápido da máquina, como também para a operação da fonte de luz de maneira segura, confiável e estável.

MONITORES DE POSIÇÃO DO FEIXE


Dentre os maiores desafios do sistema de diagnóstico está o projeto e a fabricação dos monitores de posição do feixe de elétrons, já que a medida de posição do feixe deve ter precisão de décimos de micrômetros e a medida não pode perturbar o feixe estocado. A eletrônica dos monitores deve ter resolução temporal para medidas de posição dos pacotes a cada volta no anel (medidas de posição volta-a-volta), o que significa cerca de 500 mil medidas precisas de posição a cada segundo.

 

As especificações de estabilidade da fonte de luz síncrotron demandam um monitor de posição que apresente níveis de estabilidade abaixo de 10% das dimensões do feixe a ser monitorado, ou seja, o monitor pode se mover, seja lenta ou rapidamente, menos de 100 nm, o que significa estabilidade melhor que 0,0001 mm. Variações térmicas da ordem de 1 décimo de grau ou vibrações mecânicas do solo e das partes mecânicas próximas ao monitor podem facilmente deteriorar sua estabilidade mecânica.

CORRETORAS DE ÓRBITA


Para manter a estabilidade do feixe dentro das tolerâncias existem dois sistemas de correção de órbita dedicados a compensar variações de longo e curto prazo na órbita do feixe de elétrons. Esses sistemas utilizam as medidas de posição fornecidas pelos monitores de posição e atuam sobre conjuntos de magnetos (corretores) de modo a minimizar as distorções na órbita do feixe.

 

As variações de curto prazo estão a cargo do sistema de correção de órbita rápido, que opera em uma taxa de 10 mil correções por segundo e deve ser capaz de atenuar flutuações de até 1 kHz na órbita do feixe. Esse sistema demanda características especiais para fontes, magnetos, sistema de controle e para o próprio sistema de diagnóstico de modo a poder operar dentro das especificações. O desenvolvimento deste sistema está sendo realizado no próprio LNLS e é outro grande desafio do projeto.

 

Outro sistema de realimentação muito importante é o que suprime instabilidades do feixe, atuando sobre cada um dos 864 pacotes de elétrons individualmente. Cada pacote percorre uma volta no anel de armazenamento em 1,7 microssegundos. Este sistema utiliza sensores e atuadores especialmente desenhados para esse fim.

DIAGNÓSTICO DO FEIXE DE LUZ SÍNCROTRON


Para monitorar o feixe de luz entregue aos usuários da fonte, estão sendo desenvolvidos monitores de raios X, que utilizam a própria luz síncrotron e que são posicionados nas saídas das linhas de luz. Outro grande desafio em termos de diagnóstico do feixe é o sistema de medida da emitância. Por ser muito pequena, a medida da emitância do Sirius está na fronteira do conhecimento. Uma linha de diagnóstico do feixe está sendo especialmente projetada para este fim.