Luz síncrotron

Uma determinada faixa do espectro eletromagnético se mostra adequada para explorar o microuniverso das escalas atômicas. Como regra, quanto menor essa escala, menor é o comprimento de onda necessário. Por exemplo, o infravermelho é indicado para estudar vibrações em moléculas e estruturas eletrônicas, o ultravioleta e o raio-X mole são úteis em práticas em que ocorram reações químicas e o raio-X duro é indicado para sondar a estrutura atômica dos materiais [1]. A classificação das diferentes regiões do espectro eletromagnético incluindo a faixa da radiação que é gerada pelas fontes de luz síncrotron é apresentada na Figura 1.1.

Figura 1.1. Espectro eletromagnético, classificado de acordo com o comprimento de onda ou frequência [2].

Produzida por feixes de cargas elétricas relativísticas (com velocidades próximas à velocidade da luz) quando defletidas de sua órbita por uma força centrípeta de origem magnética, a radiação síncrotron é emitida tangencialmente à trajetória do feixe. O fenômeno é ilustrado na Figura 1.2.

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Figura 1.2. Feixe de cargas elétricas relativísticas sendo defletido pela ação magnética para produzir a radiação síncrotron [3].

As máquinas destinadas à produção da radiação síncrotron são conhecidas como fontes de luz síncrotron. As últimas gerações deste tipo de acelerador de partículas apresentam grandes desafios de infraestrutura e de conhecimento, tendo em vista que estocar eficientemente cargas elétricas de altíssima energia e utilizar adequadamente a radiação produzida envolve um trabalho conjunto de físicos e engenheiros, capazes de projetar e confeccionar dispositivos mecânicos e eletrônicos que atendam tolerâncias rigorosas para o propósito da máquina.

As fontes de luz síncrotron se apresentam como uma das ferramentas mais poderosas e versáteis para investigar a matéria em nível atômico, sendo, portanto uma ferramenta relevante para pesquisa e desenvolvimento em praticamente qualquer área do conhecimento. Sua versatilidade se deve, principalmente, ao fato da radiação síncrotron abranger uma ampla faixa do espectro eletromagnético, o que permite que um determinado tipo de luz possa ser adequadamente selecionado para um determinado experimento.

No mesmo ano que Thomson realizou experimentalmente a descoberta do elétron, em 1897, Larmor obteve a expressão para a potência radiada por cargas elétricas aceleradas através das conhecidas leis da eletrodinâmica clássica. Um ano depois, Liénard generaliza os resultados de Larmor para cargas elétricas relativísticas em movimento circular [4]. A primeira observação experimental da radiação emitida por elétrons ocorreu em 1947 num dos laboratórios da GE em um acelerador de 70 MeV [5].

A grande maioria das fontes de luz síncrotron acelera e armazena elétrons para produzir a radiação. Como exemplos de síncrotrons cujas cargas elétricas armazenadas são prótons citam-se

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o PS (Proton Synchrotron) do CERN [6] e o síncrotron do Hitachi Research Laboratory utilizado para pesquisas relacionadas ao tratamento de câncer [7].

Uma fonte de luz síncrotron pode ser dividida em quatro partes fundamentais: o Acelerador Linear (LINAC), onde ocorre a criação do feixe e sua aceleração inicial; o BOOSTER, que é um acelerador com proporções reduzidas, que tem por objetivo receber o feixe provido do LINAC, aumentar sua energia e injetá-lo no anel principal; o ANEL DE ARMAZENAMENTO, onde o feixe de elétrons é estocado e onde ocorre a produção da radiação síncrotron, coletada e tratada através das LINHAS DE LUZ para realização dos experimentos. A Figura 1.3 ilustra os elementos mencionados.

Figura 1.3. Estrutura simplificada de uma fonte de luz síncrotron [8].

Na presença de um campo elétrico e um campo indução magnética , uma carga elétrica deslocando-se com velocidade experimenta uma força dada pela equação de Lorentz:

( ) (1.1)

Possuindo a mesma direção da força aplicada sobre as cargas elétricas, o campo elétrico é utilizado para incrementar a energia das partículas, processo realizado através de cavidades de

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radiofrequência (RF). Por sua vez, o campo indução magnética, sendo transversal ao movimento das cargas, é adequado para deflexão e guiamento das cargas [9]. Por esse motivo, a interação das forças que atuam sobre o feixe de cargas ocorre através de diversos dispositivos magnéticos dispostos adequadamente em uma rede magnética ao longo da máquina.

Desde a geração do feixe no LINAC até o seu armazenamento no anel principal, é fundamental que as partículas elétricas circulem em um ambiente livre de moléculas, como forma de garantir que o feixe não perca energia através de colisões. Nas fontes de luz síncrotron, esse ambiente é criado pelas câmaras de ultra-alto vácuo.

Para a operação da fonte como um todo, além do sistema de RF, da rede magnética e da geração de ultra-alto vácuo, cita-se também a necessidade de:

 sistemas de controle térmico adequados, tanto dos túneis que comportam as câmeras de vácuo como das linhas de luz;

 projeto, construção e manutenção de fontes de corrente estáveis que alimentam os diversos componentes, incluindo os magnetos que compõem a rede magnética;

 sistema de proteção radiológica;

 projeto e construção dos diversos componentes mecânicos, que por muitas vezes exigem especificações rigorosas de precisão de construção e estabilidade para operação da fonte, dentre outros.

Sob uma perspectiva tanto tecnológica como histórica, as fontes de luz síncrotron podem ser classificadas em gerações. As fontes de primeira geração eram basicamente linhas de luz instaladas em aceleradores para estudos de físicas de partículas, de maneira que a radiação produzida era tratada apenas como um “efeito parasita”. As fontes de luz de segunda geração foram desenvolvidas para o uso da radiação síncrotron, produzida através dos dipolos magnéticos que fecham a órbita do feixe de elétrons. Com a necessidade de fluxos de radiação mais intensa para pequenos comprimentos de onda (raio-X) surgiram as fontes de terceira e quarta geração, que utilizam, prioritariamente, complexos arranjos magnéticos para a produção de uma radiação mais intensa, denominados Dispositivos de Inserção [10].

Um dos principais parâmetros que caracteriza a qualidade de uma fonte de luz síncrotron é a emitância, definida em termos mais simples como o produto entre o tamanho e a divergência angular do feixe. Dependendo principalmente das características da rede magnética, a emitância

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está associada com outro parâmetro importante das fontes: o brilho da radiação (número de fótons por unidade de tempo por unidade de área da fonte de radiação por unidade de ângulo do cone de radiação por unidade de largura de banda espectral [10])1. Quanto menor a emitância, maior o brilho da radiação produzida (Figura 1.4).

Figura 1.4. Comparativo entre uma fonte de alta emitância (baixo brilho) com uma fonte de baixa emitância (alto brilho) [11].