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SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron brasileira e suas potencialidades
Minicurso VI @ VIII Encontro de Física e Astronomia da UFSC
THIAGO J. A. MORI
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40.000 students
UVX• 1.37 GeV• 100 nm.rad• 16 beamlines• 0ver 1300 users
City of Campinas (population: 1.100.000)
250 employees80 students &
0 trainees
Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM)
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O que vem pela frente:
Aula 1: Introdução a luz síncrotron e Projeto SIRIUS(o que é, pra que serve, como funciona)
Aula 2: Introdução geral a técnicas de luz síncrotron (difração/espalhamento, espectroscopias, microscopias)
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O que NÃO vem pela frente:
• Detalhes muito específicos de técnicas
• Análise de dados
(menos é mais...)
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Luz Síncrotron
• Luz síncrotron é a radiação eletromagnéticaemitida por partículas carregadas viajando emvelocidade relativística (v≈c) quando elas mudamde direção.
• Este tipo de radiação foi observada pela primeiravez na GE (1947) em um tipo de aceleradorconhecido como síncrotron. Desde então, recebeuo nome de radiação síncrotron.
First light observed in 1947
70 MeV synchrotron from GE New York State
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Espectro eletromagnético:
https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnético
Os aceleradoressão projetadospara produzirultravioleta e
raios X.
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Hans Christian Ørsted (1777-1851) André-Marie Ampère (1775 – 1836)
Eletrodinâmica: um pouco de história
• Em 1820 Øersted descobriu que correntes elétricas criam campos magnético. Ele notou que uma bússola é defletida para o seu pólo
norte quando uma corrente elétrica de uma bateria é ligada ou desligada. A bateria havia sido inventada em 1800 por Alessandro Volta.
• Ampère ficou fascinado pela descoberta de Øersted e focou em entender o fenômeno. Ele descobrindo que atração/repulsão é
produzida entre dois fios paralelos transportanto corrente elétrica. Todo magnetismo foi gerado eletricamente. 7
Michael Faraday (1791 – 1867)
• Em 1831 Faraday descobriu que um campo magnético oscilante gera eletricidade. Antes, corrente
elétrica havia sido produzida apenas com baterias. Agora, Faraday mostrou que campos magnéticos
oscilantes também podem ser transformados em corrente elétrica.
Eletrodinâmica: um pouco de história
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James Clerk Maxwell (1831–1879)
Gauss Law
Ampere-Maxwell Law
• Maxwell unificou o comportamente dos campos elétrico e magnéticoatravés de quatro equações para campos eletromagnéticos.
• As equações de Maxwell mostram que cargas em movimento resultamem ondas eletromagnéticas que se propagam com velocidade idênticaà velocidade da luz.
Faraday Law
Gauss Law for Magnetism
Eletrodinâmica: um pouco de história
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James Clerk Maxwell (1831–1879)
Gauss Law
Ampere-Maxwell Law
• Maxwell unificou o comportamente dos campos elétrico e magnéticoatravés de quatro equações para campos eletromagnéticos.
• As equações de Maxwell mostram que cargas em movimento resultamem ondas eletromagnéticas que se propagam com velocidade idênticaà velocidade da luz.
Faraday Law
Gauss Law for Magnetism
Eletrodinâmica: um pouco de história
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Heinrich Hertz (1857 – 1894)
• Em 1887 Heinrich Hertz demonstrou a existência destas ondas quando induziu pequenas centelhas em umaantena ressonante e transmitiu a onda até um receptor.
• Quando lhe perguntaram sobre a importância de tal observação, ele disse: “It's of no use whatsoever, this is
just an experiment that proves Maestro Maxwell was right.” e ramifications of his inventions Hertz replied: "Nothing, I guess.”
Eletrodinâmica: um pouco de história
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• Em 1905 Albert Einstein propôs (teoria da relatividade geral) que a luz sempre se propaga, no espaço vazio, com
uma velocidade bem definida (c) a qual é independente do estado de movimento do corpo emissor. Isso significa
que tempo, comprimento e massa são grandezas que dependem da velocidade com que o corpo se move. Se o
movimento é mais rápido, o tempo passa mais devagar e o comprimento é contraído.
Albert Einstein (1879–1955)
Eletrodinâmica: um pouco de história
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Quando um corpo carregado eletricamente é movimentado
repentinamente, o campo elétrico primeira muda na região
próxima ao corpo, e então estas alterações no campo são
propagadas na velocidade da luz. De fato, estas oscilações no
campo elétrico são o que chamamos de luz!
Radiação de cargas em movimento
Os slide a seguir foram gerados no software livre: Radiation2D by T. Shintake
Cortesia: Liu Lin, LNLS.
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electric field lines
charge at rest
Radiação de cargas em movimento
14
electric field lines
acceleration
Radiação de cargas em movimento
15
Radiação de cargas em movimento
16
Radiação de cargas em movimento
17
Radiação de cargas em movimento
18
acceleration
Lobo de radiação
Radiação de uma oscilação de dipolo (antena)
19
b
charge moving with constant velocity
Radiação de carga em movimento: trajetória curva
20
Radiação de carga em movimento: trajetória curva
21
Por que cargas relativísticas?
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Bending magnet
electron bunch
synchrotronradiation fan
Radiação síncrotron de dipolos
1/g
radius r
electron orbit
slit
to sample
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O antigo acelerador do LNLS (UVX)
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Tipos de ímãs utilizados no síncrotron
N
S
2Dipolo
4Quadrupolo
6Sextupolo
By = B0 = constante
Muda trajetóriado feixe de elétrons
By = G x
Focaliza o feixe
By = S x2
Corrige aberraçãocromática econtrola dinâmicanão-linear
N
N
SS
N
S
N S
NS
Número de pólos:
Campo magnético:
Função:
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Mas dá pra melhorar? Dispositivos de inserção!
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Uma “boa” fonte de luz – alto brilho
Uma boa fonte de Raios-X deve ser:
- Intensas (alto fluxo e alta energia)- Pequenas e colimadas (brilho)- Alta estabilidade- Alta taxa de coerência
Tamanho da fonte, SDivergência angular, W
Emitância do feixe
UVX
SIRIUS
27
1018
1017
1016
1015
1014
2
Energie (keV)
Brillance(photons/s/mm2/mrad2/0.1%B.F. )
10 50
1019
1020
3
2
1
Aimant de courbure
Wiggler
Ondulateur
1 Bending Magnet
2Wiggle
r3 Undulator
WigglerEmitted light from each dipole add up to produce a
wide beam of incoherent light
UndulatorProduce a very narrow beam of coherent light
amplified up to 104
Magnetic dipoles
Insertion devices – produce higher intensity
Brilho em fontes de raios X
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UVX
Brilho em fontes de raios X
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Bônus oferecido pelo ondulador: controle da polarização!
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POLARIZAÇÃO (circular ou linear) em qualquer direção!
Bônus oferecido pelo ondulador: controle da polarização!
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Emitância em fontes de raios X
2ª geração (UVX/LNLS) = ~170 nm.rad
3ª geração (ESRF) = ~5 nm.rad
4ª geração (SIRIUS/LNLS) = ~0.25 nm.rad
Baixa emitância -> COERÊNCIA!32
O que é coerência?
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As gerações…
1a geração (1960’s): utilização “parasítica”; radiação de dipolos
2a geração (1970’s): fontes dedicadas; radiação de dipolo magnéticos
3a geração (1990’s): otimização do brilho; onduladores
4a geração (2018): brilho e coerência máximos; limite de difração
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As gerações…
Multi-Bend Achromat (MBA)
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Síncrotrons no mundo
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Parêntese: a construção do SIRIUS
Até agora ~ 86% executado no Brasil
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SIRIUS
38
Como extrair e utilizar os raios X?
39
Como extrair e utilizar os raios X?
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Interação radiação-matériaRadiação interage com materiais;
Conhecendo fótons incidentes e interações, deduz-se informações sobre o material
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Interação radiação-matéria
Thomson scattering
Joseph John Thomson (1856 – 1940) 42
Interação radiação-matéria
Na faixa de energia até raios-X, consideramos que a radiação interage somente comos elétrons do material
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Interação radiação-matériaOs principais processos de interação na região de raios-X
Absorção fotoelétrica
Transferência de Energia
Espalhamento inelástico
Transferência de Momento e Energia
Espalhamento elástico
Transferência de Momento
XAS, XPS, XRF, XEOLARPES, XMCD
XRD, XRRSAXS, WAXS
RIXS, XRSCompton 44
Sirius: linhas da primeira fase
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Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )
Difração/espalhamento:Estrutura atômica
Imageamento/microscopia:Informações em espaço real
Espectroscopia :
Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p
Eu-5d
Eu-5d
Eu-4fO-2p
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Espalhamento + Interferência = Difração
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Por que síncrotron?
Cortesia: Cristiane Rodella/LNLS-CNPEM48
Imageamento por raios X
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Imageamento por raios X
Contrastes químicos, ferroelétrico, magnético, etc.
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Primeiras imagens produzidas no SIRIUS
51
Primeiras imagens produzidas no SIRIUS
52
Mensagem final (mas amanhã tem mais…)
Síncrotrons:Produzem radiação de amplo espectroDiversas técnicas experimentaisMulti-disciplinar
SIRIUS:Um dos melhores síncrotronsUsuários a partir de 2020Laboratório nacional
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Como é o acesso ao síncrotron?
54
Programas de formação do CNPEM
55
Mais informações:
Siga o LNLS no YouTube e redes sociais!56
Perguntas? [email protected]
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MANACÁ Beamline
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Project Budget
Budget (up to 2020)
•Building 200 M US$•13 beamlines 120 M US$•Accelerator 110 M US$•Human Res 60 M US$•Infrastructure 30M US$
•Total 520 M US$
Integrated Resources (M US$)