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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

thiago.mori@lnls.br

1

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)

2

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)

3

O que NÃO vem pela frente:

• Detalhes muito específicos de técnicas

• Análise de dados

(menos é mais...)

4

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

5

Espectro eletromagnético:

https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnético

Os aceleradoressão projetadospara produzirultravioleta e

raios X.

6

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

8

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

9

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

10

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

11

• 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

12

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.

13

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?

22

Bending magnet

electron bunch

synchrotronradiation fan

Radiação síncrotron de dipolos

1/g

radius r

electron orbit

slit

to sample

23

O antigo acelerador do LNLS (UVX)

24

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:

25

Mas dá pra melhorar? Dispositivos de inserção!

26

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

28

UVX

Brilho em fontes de raios X

29

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!

31

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?

33

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

34

As gerações…

Multi-Bend Achromat (MBA)

35

Síncrotrons no mundo

36

Parêntese: a construção do SIRIUS

Até agora ~ 86% executado no Brasil

37

SIRIUS

38

Como extrair e utilizar os raios X?

39

Como extrair e utilizar os raios X?

40

Interação radiação-matériaRadiação interage com materiais;

Conhecendo fótons incidentes e interações, deduz-se informações sobre o material

41

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

43

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

45

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

46

Espalhamento + Interferência = Difração

47

Por que síncrotron?

Cortesia: Cristiane Rodella/LNLS-CNPEM48

Imageamento por raios X

49

Imageamento por raios X

Contrastes químicos, ferroelétrico, magnético, etc.

50

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

53

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? thiago.mori@lnls.br

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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$)