MOGNO é uma das linhas de luz da fonte de luz síncrotron Sirius, do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), uma organização privada sem fins lucrativos, sob a supervisão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI).

A instalação é dedicada à obtenção de imagens tomográficas tridimensionais com resolução micro e nanométrica. Estruturas internas de diversos materiais poderão ser estudadas de forma não-invasiva, em diferentes escalas espaciais, variando entre centenas de nanômetros e dezenas de micrômetros. Além disso, será possível submeter os materiais a diferentes condições mecânicas, térmicas ou químicas e acompanhar alterações em tempo real.

Assim, a MOGNO permitirá estudos detalhados de fenômenos complexos como, por exemplo, a passagem de fluidos através dos poros das rochas do pré-sal, assim como a interação in-vivo de raízes com solos e o estudo não-destrutivo de fósseis, entre outros.

A Linha de Luz

MOGNO foi projetada para ser uma linha de luz de micro e nano imagem usando raios X de alto brilho quasi-monocromáticos (ΔE/E ~10^-2) na faixa de raios X duros (22, 39 e 67 keV). Este projeto é otimizado para realizar tomografia em zoom contínuo (i.e., magnificação contínua da imagem), em que um mesmo espécime pode ser estudado em baixa e alta resolução. MOGNO também será dedicada à aquisição de imagens 4D (resolvidas no tempo) a partir de experimentos in situ e in operando.

A fonte primária da linha de luz é um imã dipolo permanente (BC) de alto campo (3.2T) que produz raios X duros com energia crítica de 19.5 keV e tamanho de feixe de 22.1 x 8.5 mm² (HxV, rms). O feixe é demagnificado até um ponto focal nanométrico (aprox. 120 x 120 nm²) usando um conjunto de três espelhos elípticos, que introduz uma divergência e, portanto, a linha de luz opera em uma geometria de feixe cônico com campo de visão (FOV entre 150 x 150 µm² e 85 x 85 mm²) e resolução espacial variáveis (aprox. 120 nm a 55 μm). Essas condições são alcançadas com duas estações experimentais de nano e microtomografia. Um detector de contagem de fótons de alto-Z, com área de detecção de cerca de 85 x 85 mm², servirá a ambas as estações. Adicionalmente, a linha de luz também contará com um sistema de detecção indireta baseado em uma câmera sCMOS e um macroscópio.

Instalação dos Espelhos M1 e KB

O sistema óptico da linha de luz foi otimizado para alcançar alto fluxo em alta energia, com uma estreita largura de banda. Depois do front-end, o primeiro elemento óptico é um espelho elíptico horizontal (M1) projetado para coletar a radiação do BC, demagnificá-lo horizontalmente e gerar uma fonte secundária para o próximo sistema óptico da Mogno, que consiste em um sistema de espelhos do tipo Kirkpatrick–Baez (KB), composto por dois espelhos elípticos (HFM, de focalização horizontal, e VFM, de focalização vertical), onde cada um deles é recoberto com duas multicamadas, e são responsáveis por selecionar as energias e focalizar o feixe em uma região de 120 x 120 nm².

Em novembro de 2021, o espelho M1 foi instalado na cabana ótica, juntamente dos equipamentos de diagnóstico interno para caracterização da fonte secundária (Figura 1). No dia 8 de dezembro, o espelho M1 recebeu o feixe pela primeira vez e, no mesmo dia, o feixe atingiu a cabana experimental. Atualmente, questões relacionadas ao controle do sistema de diagnóstico do M1 estão sendo investigadas.

Figura 1: (a) M1 montado na cabana óptica da MOGNO, (b) Sistema de diagnóstico interno do M1.

O espelho KB foi recebido e aceito pelo grupo de Óptica do LNLS após validação por Interferometria de Fizeau (FZI). Os mecanismos do espelho KB levam os mesmos conceitos de engenharia de precisão e determinismo mecânico dos demais sistemas de espelhos do Sirius, com precisão de movimentação e estabilidade de posição da ordem de nanômetros. O mecanismo que suporta o VFM possui graus de liberdade extras em vácuo permitindo alternar o casamento das multicamadas do VFM com o HFM para seleção de energia na linha de luz MOGNO (Figura 2).

Figura 2: (a) Mecanismos internos do VFM e HFM com os principais recursos de projeto destacados e (b) mecanismo VFM sendo testado na sala limpa do prédio de metrologia.

A fase de testes do mecanismo do VFM foi concluída com um pequeno atraso devido a componentes do sistema de compensação de gravidade que chegaram fora de especificação, exigindo correções de montagem e novos testes para confirmar seu desempenho. A cinemática de movimento e arquitetura de controle também estão em fase final de teste e validação, liberando os mecanismos para montagem e alinhamento dentro da câmara de vácuo.

Por conta da absorção de potência em função da monocromatização do feixe de raios X, cada um dos espelhos conta com um sistema de refrigeração por peltiers para estabilizar a temperatura durante a operação (Figura 3). Terminada a fase de alinhamento e testes em ar, a câmara de vácuo será selada para uma última etapa de testes e validação em vácuo antes do transporte para o Sirius e a instalação e condicionamento final de vácuo (baking) dentro da cabana experimental.

Figura 3: Mecanismos VFM e HFM com as peças do sistema de refrigeração peltier montados na câmara de vácuo do KB (esquerda). Montagem do sistema na Máquina de Medições Coordenadas (CMM) (centro), e início do procedimento de alinhamento e validação da cinemática de movimento (direita) na sala limpa do prédio de metrologia.

A instalação do KB na cabana experimental está prevista para o início de julho de 2022, seguida de alinhamento, baking, controle e validação de movimento. O início do comissionamento da nanoestação é esperado para o início de agosto de 2022.

Estações de Nano e Microtomografia

A nanoestação se encontra em processo de montagem, com a instalação do trilho e da base principal do KB (Figura 4a, em amarelo e verde, e 4b). A conclusão desta instalação e alinhamento, incluindo a base de amostras (em rosa) e a base do detector (em azul), foi atingida no início de maio de 2022. As próximas etapas estão relacionadas ao sistema de movimentação e controle de todas as peças de granito, e está prevista para ser entregue no final de julho de 2022.

Figura 4: (a) Visão 3D da nanoestação e (b) imagem da instalação dentro da cabana experimental.

O conceito da microestação já foi revisado por uma empresa de consultoria, resultando em algumas adaptações de projeto para garantir que o desempenho do sistema seja compatível com futuros setups de amostras, previstas para experimentos in situ e in operando, com rotação rápida e cargas pesadas (aprox. 30kg). O projeto foi dividido em três partes: carro principal de amostras, pórtico e trilho (Figura 5). A equipe está atualmente trabalhando no detalhamento do projeto 3D do carro principal de amostras, e as ferramentas e estratégias de montagem são a próxima fase a ser abordada. A instalação deve começar no primeiro semestre do próximo ano.

Figura 5: (a) Visão 3D da microestação e (b) uma visão detalhada do pórtico, que servirá à microestação e receberá sistemas de amostra complexos para experimentos in situ e operando.

O processo de compra do detector principal da MOGNO começou no final de março de 2022. Após a avaliação de todas as possibilidades comerciais, foi tomada a decisão de adquirir um PiMega 135D com sensor CdTe. A entrega está prevista para o início de 2023.

A equipe da linha de luz também desenvolveu um ambiente de amostra que é uma adaptação de um experimento tradicional para avaliar a retenção de água no solo (Figura 6a). A grande vantagem deste experimento in situ é o acesso visual à drenagem do solo, com poros controlados a partir das pressões de sucção que serão aplicadas. A célula já foi validada e está pronta para ser usada na linha de luz.

Outro ambiente de amostra em desenvolvimento (Figura 6b), permitirá a investigação do comportamento de biomateriais em diferentes condições experimentais, na presença de células, por exemplo, ou mesmo mimetizando processos inflamatórios com um controle ambiental muito alto.

Figura 6: (a) Setup de retenção de água do solo e (b) Chip de microfluídica para setups biológicos

Usuários

Como a MOGNO ainda está em processo de instalação, ela não está recebendo usuários. No entanto, a equipe da linha de luz oferece cursos online sobre análise de imagens, permitindo que atuais e futuros usuários possam aprender a lidar e processar na melhor forma os dados obtidos.

Atualmente estão disponíveis quatro cursos de processamento de imagens, abrangendo conceitos teóricos de processamento e análise de imagens digitais; conceitos de aprendizado de máquina e aprendizado profundo; e o uso do Avizo, um software amplamente utilizado pela comunidade de tomografia, incluindo processos básicos, como visualização, filtragem, técnicas de segmentação manual e semiautomática, quantificação de dados e recursos de animação.