fóton Blog: Tecnologia síncrotron no Brasil

Ao longo de mais de 13 anos, a Fonte de Luz Síncrotron do LNLS foi sendo aperfeiçoada e atingiu um alto grau de desempenho para máquinas de sua geração, mas aproxima-se dos limites físicos de expansão. Na Reunião Anual de Usuários do LNLS, em 2006, foi apontada a necessidade de construção de uma Fonte de Luz de alto desempenho, muito mais brilhante que a atual, com espectro de energia muito mais amplo, para manter a competitividade da ciência brasileira. Nos últimos 20 anos, o uso de radiação síncrotron em pesquisas científicas e tecnológicas registrou um enorme avanço, em função de desenvolvimento da biologia molecular estrutural, de novos materiais, da nanociência, entre outras. Entre 2000 e 2008, o número de usuários de luz síncrotron nas fontes mantidas pelo Departament of Energy (DOE), dos Estados Unidos, cresceu 40%; no European Syncrotron Radiation Facility (ESRF) o aumento foi de 30% entre 2003 e 2008. No Brasil esse aumento foi ainda maior: entre 1997, quando a Fonte entrou em operação, e 2009, o número de usuário saltou de 229 para 2.320, algo em torno de 800%.

Desde logo ficou estabelecido que a nova Fonte de Luz Síncrotron deveria ser de 3ª geração: feixes pequenos e de baixíssima divergência e uso intensivo de dispositivos de inserção magnéticos conhecidos como onduladores. Das cerca de 50 fontes de luz síncrotron, 16 já são de 3ª geração.

Em fevereiro de 2008, uma proposta preliminar foi enviada ao Ministério da Ciência e Tecnologia e, em novembro do mesmo ano, foram liberados R$ 2 milhões para o início do projeto conceitual e a construção de protótipos dos principais componentes dos aceleradores. E, em 2009, o projeto conceitual começou a ganhar forma.

Os dipolos combinam ímãs permanentes de ferrite (material barato, mas de campo magnético fraco, 0.5 T) e fatias de NdFeB (campos fortes, 2.0 T) apenas em um trecho curto do dipolo. Essas fatias finas de campo forte produzem fótons de alta energia crítica (12.0 keV) apenas na saída de luz, mantendo, portanto, a potência total irradiada nos dipolos em níveis bastante baixos. Há 20 dessas fatias em todo anel. O anel possui ainda 18 trechos retos livres alternados de 9 m e 5 m de comprimento para dispositivos de inserção (wigglers e onduladores) e dois trechos retos para equipamentos de injeção e de rádio-freqüência da máquina.

A rede magnética determina a qualidade da radiação produzida pela fonte além de parâmetros diretamente associados ao custo do projeto, ao número de linhas de luz disponíveis, à especificação de tolerâncias para os outros subsistemas da máquina, à estabilidade do feixe, ao tempo de vida, etc. Assim, a escolha da rede magnética é um passo inicial do projeto conceitual.

A rede magnética determina a qualidade da radiação produzida pela fonte além de parâmetros diretamente associados ao custo do projeto, ao número de linhas de luz disponíveis, à especificação de tolerâncias para os outros subsistemas da máquina, à estabilidade do feixe, ao tempo de vida, etc. Assim, a escolha da rede magnética é um passo inicial do projeto conceitual.

Considerando os requisitos e os limites existentes, a rede tipo TBA foi escolhida principalmente devido à baixa emitância obtida, 1.7 nm.rad, dentro de valores ainda aceitáveis para a circunferência da máquina e para o número de trechos retos para dispositivos de inserção. O valor da emitância é uma das principais figuras de mérito do projeto de uma fonte de luz, pois ela está diretamente relacionada às dimensões e divergência da fonte e, portanto ao brilho produzido pela máquina. Quanto menor a emitância, maior é o brilho da radiação produzida.

Esta proposta para a nova fonte de luz síncrotron brasileira, com dipolos de ímãs permanentes fracos com umafatia de campo forte, apresenta vários atrativos, entre as quais a disponibilidade de radiação de alta energia dos dipolos com investimento menor tanto em fontes de alimentação, como em equipamentos de rádio-freqüência, equipamentos de vácuo (pois minimiza o aquecimento por radiação síncrotron não utilizada) e sistema de refrigeração. A baixa potência de radiação síncrotron depositada nos trechos retos longos também facilita a instalação de dispositivos supercondutores. Além disso, há também economia no custo operacional e aumento da confiabilidade por redução dos componentes críticos ativos. A redução do custo operacional anual em relação à opção de operar com eletroímãs uniformes produzindo a mesma radiação de dipolo é estimada em 10.6 GW.h (R$ 3,7 milhões/ano).

O projeto do protótipo de um dipolo de ímã permanente, tecnologia inovadora neste projeto, foi concluído e está em fabricação. Com este primeiro protótipo espera-se testar o processo de montagem mecânica utilizando ímãs permanentes, verificar a concordância entre simulação e medidas do campo magnético, além de verificar a dependência do campo com a temperatura e a eficácia do processo de correção desta dependência, entre outros.

O sistema de rádio-freqüência (RF) do anel de armazenamento fornece energia aos elétrons compensando as perdas por radiação síncrotron nos dipolos e dispositivos de inserção. Os parâmetros do sistema de RF determinam a aceitância em energia do anel, contribuindo para o tempo de vida do feixe. O sistema de RF é uma parte delicada e dispendiosa do projeto, tanto na fase de construção como na de operação, demandando estudos e análise detalhada. Em linhas gerais há duas topologias diferentes que devem ser analisadas, utilizando cavidades supercondutoras ou normais, que operam em temperatura ambiente. Os parâmetros principais para o dimensionamento do sistema de RF estão mostrados na Tabela III. A Tabela IV mostra algumas possíveis configurações para o sistema contemplando as opções de cavidade supercondutora e normal.

Quase metade do orçamento total previsto de R$ 360 milhões para a construção da nova fonte é aplicada nas obras civis. A exigência de alta estabilidade de posição do feixe (sub-micrométrica) se traduz em tolerâncias apertadas para a qualidade do piso da máquina e do sistema de climatização do túnel dos aceleradores e do hall experimental. Há também limitações relacionadas à área disponível no campus para construção da nova máquina. As Figura 3 e Figura 4 mostram um desenho esquemático do edifício da nova fonte de luz, incluindo a área para o anel de armazenamento, o hall experimental e os laboratórios de apoio.