Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Um novo monocromador para as Linhas de Luz do Sirius

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Um novo DCM de alta dinâmica está em desenvolvimento no LNLS.


Um novo Monocromador de Cristal Duplo (DCM, na sigla em inglês) de alta dinâmica está sendo desenvolvido no LNLS para o futuro ondulador de raios X e para as linhas de luz de dipolos superbends do Sirius, a nova fonte de luz síncrotron brasileira de 4ª geração [1].

Visando uma estabilidade intercristal de algumas dezenas de nanorradianos (mesmo durante o movimento do ângulo de Bragg para flyscans) e considerando as limitações das atuais implementações do DCM, vários aspectos da engenharia do DCM estão sendo revisados. Para alcançar um sistema dinâmico altamente repetitivo, com uma largura de banda de servocontrolamento na faixa de 200 Hz, são propostas soluções para alguns tópicos, incluindo: atuadores e guias, metrologia e feedback, refrigeração indireta por $latex \rm LN_2$, fixação de cristais, gerenciamento térmico e blindagem.

Nos últimos anos tornou-se claro para a comunidade de síncrotron que o desempenho da estabilidade dos monocromadores de duplo cristal para raios X seria um dos principais estrangulamentos no desempenho geral de muitas linhas de luz de raios X, particularmente para síncrotrons de 4ª geração, também denominados anéis de armazenamento limitados por difração. Isto porque as instabilidades no DCM afetam a posição e/ou o tamanho efetivo da fonte virtual e, consequentemente, o spot size e/ou a posição do feixe na amostra. Portanto, é imperativo que a instabilidade da fonte virtual seja mantida dentro de uma pequena fração do tamanho da fonte.

A instabilidade entre os dois cristais é ainda mais crítica porque seus efeitos na fonte virtual escalonam com o braço de alavanca entre o monocromador e a fonte. Em fontes de quarta geração, espera-se que as fontes tenham apenas alguns mícrons, enquanto as distâncias típicas entre a fonte e o DCM são de dezenas de metros. Devido a isso, é necessário que a estabilidade entre os cristais esteja dentro de alguns nanorradianos.

Este cenário tem motivado inúmeras discussões especiais em conferências e até mesmo oficinas dedicadas, como o Workshop ESRF DCM em 2014. Desde então, um esforço tem sido feito por fornecedores e a comunidade de engenharia de síncrotron, tentando atualizar os sistemas existentes e chegar a novas soluções. Este trabalho, que é o resultado de tal esforço no LNLS para as linhas de luz do Sirius, apresenta o design conceitual avançado de um DCM com controle de loop fechado de alta largura de banda de servo-controle. Sirius está em fase de construção e o início do comissionamento da máquina está previsto para meados de 2018.

Orientações

  • A primeira regra neste desenvolvimento foi restringir o número de graus de liberdade. Por conseguinte, a gaiola de cristal apresenta apenas ajustes de pitch, roll e gap, e todos eles estão associados ao segundo subsistema de cristais. Quanto mais graus de liberdade, mais difícil é se manter a rigidez e robustez do sistema, e mais numerosas são as fontes de erro.
  • Em seguida, os números de estabilidade necessários não poderiam ser alcançados sem um servo-controle de loop fechado de alta largura de banda, através do qual as perturbações poderiam ser atenuadas para níveis aceitáveis. Neste DCM, o alvo é uma largura de banda de controle em loop fechado de pelo menos 200 Hz, para a qual são utilizados atuadores de força e uma massa de reação para os ajustes nos graus de liberdade.
  • Esta alta controlabilidade do sistema também impõe exigências estritas no sistema de feedback, particularmente na resolução, estabilidade e taxas de aquisição. Com relação a isso, alguma incerteza reside no que pode estar disponível nas linhas de luz: monitores de intensidade podem não ser sensíveis o suficiente para a variação de nanorradianos; Os monitores de posição de feixe (BPMs) podem não ser sensíveis, precisos e/ ou suficientemente rápidos (faixa de kHz); Devido às propriedades de elevada coerência das novas máquinas, algumas linhas de luz podem não aceitar qualquer interferência de janelas ou folhas no percurso do feixe. Assim, desenvolveu-se uma arquitetura de metrologia interferométrica interna, integrando o 1º e 2º cristais com desempenho nanométrico em kHz.

 

Finalmente, as vibrações induzidas por resfriamento foram consideradas como o principal item de risco, de modo que foram investigadas alternativas à tecnologia de resfriamento, a fim de minimizar os distúrbios e restrições mecânicas.

Até onde se sabe, a principal inovação deste projeto é a forma como os graus de liberdade são guiados, atuados e controlados [1]. Em primeiro lugar, toda a guia é realizada por molas de folha dobradas. Através desta escolha, a lubrificação, os efeitos de fricção e as vibrações das esferas ou rolos de recirculação podem ser em grande parte eliminados.

Figura 1: Desenho esquemático para os submódulos dos primeiro e segundo cristais, de acordo com os conceitos de alta dinâmica.

Figura 2. Montagem do DCM: (a) Visão geral. (B) Visão interna do sistema rotativo.

Os conceitos de alta dinâmica que são aplicados aqui são tecnologias comprovadas em máquinas de litografia de ponta, o que significa que, embora haja alguma inovação dentro da comunidade de instrumentação de síncrotron, os riscos são calculados com base em análises extensivas e continuamente atualizadas. Assim, com uma largura de banda de loop fechado realista de cerca de 200 Hz, o alvo de alta estabilidade foi alcançado com confiança e um protótipo em funcionamento deve estar pronto para ser comissionado em meados de 2017.

Fonte:

[1] R. R. Geraldes, R. M. Caliari, G. B. Z. L. Moreno, L. Sanfelici, M. Saveri Silva, N. M. Souza Neto, H. C. N. Tolentino, H. Westfahl Jr., LNLS, CNPEM, Campinas, Brazil, T. A. M. Ruijl, R. M. Schneider, MI Partners, Eindhoven, Netherlands. The New High Dynamics Double Crystal Monochromator for Sirius. Presented at MEDSI 2016, Barcelona, Spain, Sep. 2016. (to be published).

[2] R. R. Geraldes, Patent Pending, Jan-2016.