A Nova Fonte de Luz Síncrotro _2

A Nova Fonte de Luz Síncrotron Brasileira
Fonte em operação
Nova Fonte
Para manter a competitividade na geração de conhecimento
Luz Síncrotron no Mundo
Mundialmente, nos últimos 20 anos, o uso de radiação síncrotron em pesquisa científica e tecnológica vem
mostrando um enorme avanço. Hoje existem acima de 50 fontes
de luz síncrotron, sendo 16 delas de 3ª geração, que apresentam
baixas emitâncias (feixes pequenos e de baixíssima divergência) e
uso intensivo de dispositivos de inserção magnéticos chamados
de onduladores. Essas fontes, em operação a partir de 1994,
permitiram um ganho no brilho de alguns milhares de vezes, se
comparadas com a geração anterior. Algumas delas entraram em
operação muito recentemente, como a britânica (DIAMOND), a
francesa (SOLEIL), a australiana (BOOMERANG), a chinesa (SSRF)
e a alemã (PETRA). Todos esses projetos representam uma
resposta desses países ao crescimento explosivo da demanda por
luz síncrotron, resultante da grande gama de aplicações que se
tornou possível com as fontes de terceira geração.
Entre 2000 e 2008 o número de usuários de luz síncrotron
nas fontes mantidas pelo DOE (Department of Energy, EUA)
cresceu 40% (de 6000 para 8400). No laboratório europeu ESRF
(European Synchrotron Radiation Facility) este número cresceu
30% entre 2003 e 2008. Este crescimento mundial deve-se em
grande parte ao desenvolvimento da biologia molecular
estrutural bem como novas aplicações em paleontologia,
patrimônio cultural, meio ambiente, etc.
Science, 326, 2009
Biologia
Ada Yonath, do Instituto Weizmann (Israel),
Venkatraman Ramakrishnan, do MRC Laboratory of
Molecular Biology in Cambridge (UK) e Thomas
Steitz, da Universidade de Yale (US) receberam o
premio Nobel de Química em 2009 pelo estudo da
estrutura e função do ribossomo, a fábrica de
proteína das células.
Luz Síncrotron no Brasil
O Brasil deu uma importante contribuição para o desenvolvimento da ciência, especialmente na região da
América Latina, quando, no final dos anos 80 e durante os anos 90, desenvolveu a tecnologia e construiu a primeira
fonte de luz síncrotron do hemisfério sul – ainda hoje a única na América Latina. A comunidade científica teve à
disposição este avançado instrumento para pesquisas a partir de julho de 1997. Desde então, já são mais de 12 anos
de operação rotineira para mais de 1000 pesquisadores por ano.
Paleontologia
Graças à coerência
da luz síncrotron,
nas fontes de
geração III,
P. Tafforeau
obteve, no ESRF,
uma reconstituição
dos ossos no
interior de um
fóssil de ovo de
150 milhões de
anos.
Paralelamente, a fonte de luz foi sendo
aperfeiçoada, atingindo um alto grau de desempenho
para máquinas de sua geração e aproximando-se dos
limites físicos de expansão. Já em 2006, a comunidade
de usuários identificou a necessidade de uma nova
fonte de luz síncrotron, mais moderna – de terceira
geração – para incrementar a competitividade do país
na geração de conhecimento.
O projeto dessa nova fonte foi iniciado no final
de 2008, com o aval do MCT para elaboração do
projeto e construção inicial de protótipos de
componentes da máquina. O projeto já está delineado
e baseia-se em duas idéias inovadoras para atingir
altos níveis de desempenho, com produção de luz
síncrotron muito intensa, brilhante e estável. O
projeto é tecnologicamente arrojado e utiliza ímãs permanentes que possibilitam economia considerável no
investimento e no consumo de energia de operação. Mais recentemente outra inovação foi introduzida para
conciliar as boas características das fontes de geração III (uso da luz de dispositivos de inserção) com as da geração II
(uso da luz de dipolos). Isto permite aumentar o escopo científico sem onerar os custos de operação.
Esta será a primeira fonte de luz síncrotron do mundo a utilizar a tecnologia de ímãs permanentes de baixo
campo magnético para os dipolos, principais ímãs que defletem os elétrons no anel. A luz emitida nestes ímãs é de
baixa potência, daí o baixo consumo da fonte. Isso, por outro lado, impossibilita o uso de raios X de alta energia a
partir dos dipolos. Foi adotada, então, uma solução que combina fatias finas de alto campo magnético que gera
raios-X de alta energia apenas nas regiões utilizadas pelas linhas de luz. Essas idéias, apesar de simples, nunca foram
empregadas antes e podem representar um avanço significativo no projeto desses aceleradores.
Além da fonte de luz síncrotron serão construídas as primeiras dez linhas de luz que exploram as
características mais importantes dos equipamentos de terceira geração – alto brilho, baixa emitância e coerência.
As características da nova fonte abrem importantes
horizontes de pesquisa em relação àquela em operação
no LNLS
Raios X 10 vezes mais energéticos
Possibilitará pesquisa em sistemas reais de importância para a o desenvolvimento de
novos materiais, da metalurgia (corrosão e estrutura), geologia e engenharia civil
(rochas e concretos) e outros sistemas sob condições extremas de temperatura e
pressão – área de grande importância, por exemplo, para a indústria petrolífera.
Brilho 10 mil vezes maior de feixes coerentes
Possibilitará o trabalho com luz focalizada em manchas nanométricas importantes, por
exemplo, para a determinação de estruturas de proteínas de difícil cristalização – a
grande maioria – de importância para a biologia e para a indústria de fármacos.
Conceitos
O que é luz síncrotron?
Quando sujeitas a aceleração, cargas elétricas
emitem radiação eletromagnética que se
propaga no espaço com uma velocidade de 300
mil quilômetros por segundo. As ondas de rádio,
o infravermelho, a luz visível, o ultravioleta e os
raios x
são
exemplos
de
radiação
eletromagnética. Síncrotrons são aceleradores
de elétrons que emitem simultaneamente e de
modo muito intenso todo esse espectro de
radiação. Assim, esses equipamentos são as
fontes de luz síncrotron. Mais importante que a
intensidade da luz síncrotron é a sua
concentração em feixes muito finos.
Como são as fontes de luz
síncrotron?
Uma fonte de luz síncrotron é constituída de três
aceleradores de elétrons: um acelerador linear
pré-injetor (LINAC), um síncrotron injetor
(booster) e um anel de armazenamento. O LINAC
produz e acelera elétrons até 100 a 200 MeV
(um MeV é a energia adquirida por um elétron
quando acelerado por um potencial de um
milhão de volts). Estes elétrons são passados
para o booster que os acelera até 1 a 3 GeV (um
GeV equivale a 1000 MeV). Repetidas operações
do LINAC e do booster preenchem o anel de
armazenamento até atingir uma corrente típica
de trabalho de algumas centenas de
miliamperes. Graças a um sistema de ultra-altovácuo, a carga armazenada (o feixe de elétrons)
permanece em órbita definida por ímãs por
dezenas de horas, produzindo luz síncrotron
continuamente em todo o espectro –
infravermelho, visível, ultravioleta e raios x.
Como se utiliza a luz síncrotron?
O anel de armazenamento possui várias janelas
por onde sai luz síncrotron às quais são
acopladas as linhas de luz. Estas linhas possuem
vários componentes ópticos que selecionam e
focalizam a parte do espectro de luz relevante
para cada trabalho. A luz assim condicionada é
entregue a uma estação experimental, onde
diferentes tipos de interação com amostras –
fluorescência, absorção, difração, emissão de
foto-elétrons, etc. – são detectados e
interpretados para o estudo de materiais em
escala atômica, molecular, microscópica ou
mesmo macroscópica.
Campo fraco na maior
parte dos dipolos
0,5 Tesla
Luz intensa
apenas para a
linha de luz
Pouca potência de luz
onde não é necessário
Campo forte
apenas onde
é necessário
2 Tesla
Concepção inovadora
Dipolos com magnetos permanentes
Menor investimento
em fontes de alimentação de alta potência
sistema de resfriamento de menor porte
Menor custo operacional
economia anual de 1,5 GW.h/ano nas fontes de
corrente
redução da carga sobre o sistema de resfriamento
(0,6 MW.h/ano)
Maior confiabilidade
Redução de componentes críticos
Campo magnético forte apenas onde é útil
Menor investimento
em equipamentos de radiofreqüência
em equipamentos de vácuo (eliminação da maior
parte do aquecimento e foto-desorção da câmara de
vácuo por luz síncrotron não-utilizada)
Menor custo operacional
menor potência de radiofreqüência (economia de
4000 MW.h/ano)
redução da carga sobre o sistema de resfriamento
(500 MW.h/ano)
A nova fonte brasileira terá características superiores às instalações mais recentes:
LNLS Atual
LNLS Novo
Soleil
Diamond
Shanghai
Energia (GeV)
1,37
3,0
2,75
3,0
3,5
Diâmetro (m)
30
137
113
179
137
Brilho dipolos @ 10 keV[1]
1
5,6 x 103
1,6 x 103
3,6 x 103
2,2 x 103
Brilho dipolos @ 50 keV[1]
1
25 x 109
1,9 x 109
4,4 x 109
5,8 x 109
Número de linhas de dipolo
24
20
32
48
40
Número de linhas de trechos
retos[2]
4
18
22
22
18
100
1,7
3,7
2,7
3,9
Emitância (nm.rad)
[1] Normalizado pelo LNLS Atual; [2] já descontados dois trechos para injeção e RF.
Estudo da estrutura da proteína chagasina,
do tripanosoma cruzi, envolvida na doença de
Chagas. A pesquisa foi realizada no LNLS,
utilizando luz síncrotron e ressonância magnética
nuclear.