Sirius, a nova fonte de luz síncrotron do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), é uma das três fontes de luz de quarta geração baseadas em anéis de armazenamento atualmente em operação em todo o mundo.

Sirius é baseado em um anel de armazenamento de elétrons de 3 GeV com 518 m de circunferência e emitância natural de 250 pm.rad. A rede magnética é composta por 20 arcos acromáticos de cinco deflexões (5BA) conectados por 20 seções retas, das quais 17 são para dispositivos de inserção. Nos arcos da rede 5BA, o dipolo central (BC), também chamado de superbend, é feito de ímãs permanentes com um trecho curto de alto campo em sua parte central, que deflete o feixe em 1,1 grau, e atinge um campo magnético de pico de 3,2 T. A configuração óptica foi otimizada para que este trecho de alto campo contribua para a redução da emitância enquanto fornece 20 fontes de raios X duros com energia crítica de 19,2 keV. Os raios X duros são produzidos apenas na saída da linha de luz e a potência de RF necessária aumenta de forma relativamente modesta. Os 4 dipolos restantes no arco são eletromagnéticos e de dois tipos, B1 e B2, com o mesmo campo magnético (0,6 T) e gradiente transversal, mas com comprimentos diferentes, de forma a ajudar a otimizar a emitância. A instalação pode abrigar até 40 linhas de luz com base em dispositivos de inserção ou nos ímãs dipolares de baixo e alto campo da rede magnética cobrindo uma faixa de energia do infravermelho aos raios X duros.

Atualmente, Sirius está operando com a corrente de 100 mA em modo de decaimento, com duas injeções por dia. Há 5 onduladores planares APU instalados e 6 linhas de luz em operação em modo de comissionamento científico, 5 estão em diferentes estágios de montagem e 3 em fase de fabricação de componentes. A corrente armazenada é atualmente limitada pelo sistema de RF instalado provisoriamente, constituído de uma cavidade Petra de 7 células com 120 kW de potência disponível.

O caminho crítico para alcançar a corrente nominal de 350 mA é a instalação das cavidades de RF supercondutoras definitivas, a produção de amplificadores de RF em estado sólido para alcançar a potência necessária de 480 kW, a compra de uma terceira cavidade passiva harmônica supercondutora (3HC) e a instalação do sistema criogênico.

Para várias linhas de luz, a aquisição de onduladores está no caminho crítico. O desenvolvimento interno dos onduladores Delta sofreu atrasos, e um novo plano foi estabelecido, incluindo opções de onduladores comerciais. Um estudo para definir as melhores alternativas para cada linha de luz está em andamento. Em paralelo, o desenvolvimento interno dos onduladores Delta continua.

Ao final da Fase I, o projeto fornecerá uma instalação que compreende o anel de armazenamento de quarta geração, com 350 mA de corrente em modo top-up, 14 linhas de luz, laboratórios de apoio e infraestrutura de computação de alto desempenho. Todos os instrumentos da instalação foram otimizados para experimentos de ponta em agricultura, ciências ambientais, saúde e energia, abrangendo programas científicos diversos e estratégicos.

Estatísticas de operação

Desde março de 2021, após o alinhamento dos aceleradores, Sirius está operando regularmente, com o tempo de feixe dividido entre o estudo da máquina e os turnos de linha de luz.

Em 2021, o tempo atribuído às linhas de luz aumentou progressivamente ao longo do ano. No início do ano, os estudos de máquina exigiram mais tempo devido ao novo comissionamento após o alinhamento dos berços do acelerador. Ao longo do ano, foi alcançada uma boa confiabilidade, definida como o tempo de feixe entregue para os experimentos dentro do tempo programado. Exceto em março de 2021 e março de 2022, que são períodos logo após longas paradas da máquina, a confiabilidade sempre foi superior a 92%. Durante este período, o tempo médio entre falhas foi de cerca de 38 horas e a duração média de cada falha, cerca de 2 horas. Houve 23 interrupções de feixes durante este período, com uma concentração no início de 2021.

A vida útil atualmente medida a 100 mA é de 17h, limitada por espalhamento Touschek. Experimentos com o objetivo de medir a contribuição de cada efeito para o tempo de vida total do feixe estão em andamento.  Para a operação da Fase I em 350 mA, espera-se que o tempo de vida do feixe seja mantido acima de 10h, com o alongamento do feixe promovido pela 3HC.

Estabilidade da órbita do feixe

Os requisitos de estabilidade da órbita do feixe para a fase I do Sirius foram inicialmente estabelecidos como melhores do que 10% do tamanho rms do feixe, tanto nas dimensões transversais como longitudinais. Isto está, naturalmente, sujeito a revisão, já que os requisitos específicos de estabilidade podem depender da sensibilidade de experimentos específicos, e um dos principais objetivos durante a fase de projeto dos componentes dos foi alcançar a maior estabilidade razoavelmente possível dos feixes de elétrons e fótons. Este objetivo orientou o projeto integrado de berços, ímãs, bases de concreto, piso do túnel dos aceleradores, piso das linhas de luz, prédio, sistemas de feedback, eletrônica dos BPM, e assim por diante. Espera-se que requisitos mais rigorosos de estabilidade possam ser atendidos no futuro, à medida que as fontes de perturbação forem identificadas e os sistemas de feedback forem implementados e aperfeiçoados.

Os parâmetros de estabilidade do feixe atualmente medidos mostram estabilidade horizontal ligeiramente acima da meta de 10% de tamanho do feixe, e estabilidade vertical de cerca de 40% de tamanho do feixe. Como Sirius está operando com uma razão de emitâncias de 3%, o tamanho do feixe na direção vertical é muito menor, e os requisitos de estabilidade são, consequentemente, mais difíceis de serem atingidos. Atualmente, as equipes estão trabalhando para identificar as principais fontes de instabilidade de posição do feixe. Importantes mecanismos de estabilização, como o sistema de feedback de órbita rápida e o modo de operação top-up, que irá garantir uma corrente constante do feixe de elétrons e, portanto, uma carga térmica constante nas linhas de luz, estão sendo implementados. Ambos os mecanismos são metas de projeto a serem alcançadas em 2022.

Operação top-up

A operação do Sirius em modo top-up a 100 mA foi estabelecida como uma meta a ser alcançada até o final de 2022. Em preparação para uma operação top-up segura e confiável, uma série de atividades foram realizadas, e outras estão em andamento.

No início de 2022 foi realizado um grande realinhamento do booster para adequar sua circunferência à frequência de RF do anel de armazenamento, reduzindo assim o desvio de órbita devido ao descasamento de energia do feixe injetado a partir do Linac nas primeiras voltas no booster em baixa energia. A taxa de sobrevivência do feixe aumentou de cerca de 15% para cerca de 70% após a correção da circunferência do booster.

Para melhorar a eficiência de injeção do booster para o anel de armazenamento, ef_BTS, um estudo para implementar a troca de emitância no booster está em andamento com resultados promissores. Outros estudos para melhorar o ef_BTS estão em estudo, como a otimização da dinâmica não-linear do feixe no anel de armazenamento. O valor atualmente otimizado para o ef_BTS já está a um nível satisfatório, maior que 95%, mas a repetibilidade ainda é baixa, com quedas frequentes de eficiência a <75%. A principal causa desta queda está relacionada à variação da temperatura dos septa de injeção. Uma abertura dinâmica maior também ajudará a reduzir a sensibilidade da eficiência de injeção à posição e ângulo do feixe injetado.

Sistema de RF

Sirius está atualmente operando regularmente para usuários com corrente inicial de 100 mA com preenchimento uniforme dos pacotes de elétrons e modo de decaimento, com duas injeções por dia. O modo de operação nominal consiste em 350 mA em modo top-up. Para aumentar a corrente, a instalação do sistema de RF deve ser concluída.

O atual sistema de RF consiste em uma cavidade temporária de 7 células PETRA à temperatura ambiente, construída nos anos 1980 para o colisor PETRA do DESY, Alemanha, alimentada por uma planta de RF de 120 kW composta de dois amplificadores de estado sólido (SSA) de 60 kW. Esta cavidade não possui amortecimento para os modos de ordem superior (HOM) e, para que fosse possível operar em 100 mA, uma otimização cuidadosa foi realizada combinando o ajuste da temperatura de operação da cavidade e os parâmetros do sistema de feedback pacote-a-pacote.

Em sua configuração final de projeto, o sistema de RF para anel de armazenamento empregará duas cavidades supercondutoras (SC) tipo CESR-B de 500 MHz com 480 kW de potência disponível. A instalação das duas cavidades SC deverá ocorrer no início de 2024, logo após a instalação da planta criogênica.

O projeto final também contempla a instalação de uma terceira cavidade harmônica passiva SC a ser desenvolvida em colaboração com o Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF), China, e planejada para ser instalada no início de 2024.