GERAÇÃO DE RADIAÇÃO SINCROTRON: CONSIDERAÇÕES TECNOLÓGICAS. VIA- BILIDADE DE REALIZAÇÃO PRATICA COM MEIOS DISPONÍVEIS NO PAÍS

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1 GERAÇÃO DE RADIAÇÃO SINCROTRON: CONSIDERAÇÕES TECNOLÓGICAS. VIA- BILIDADE DE REALIZAÇÃO PRATICA COM MEIOS DISPONÍVEIS NO PAÍS Argus Fagundes Ourique Moreira Centro Tecnológico do Exército RESUMO 4/t.) c-> -. : Í '. - v' 0 presente text» concerne a aspectos tecnológicos vinculados a geração da Radiação Sincrotron (RS) em laboratório. A abordagem, conquanto mantida ao nível de generalidades, tanto qu litativa quanto quantitativamente, visa a um posicionamento sobre a exequibii idade do projeto e da construção no país, dos meios p ra acelerar, confinar, agrupar, defletir e armazenar as partículas geradoras da RS, bem como para extrair do recinto de alto e ultra alto vácuo, onde essas partículas trafisitam, a radiação RS destinada ao uso dos exper imentadores. í/j-v K>' > I. GENERALIDADES 0 crescente e intensivo uso que se está fazendo da RS, em âmbito universal, e em laboratórios de finalidades científicas ou industriais, é decorrente das características gerais dessa r diação na forma como já está sendo produzida, da exequibii idade de gerá-la intensamente através de meios materiais de tecnologia amplamente conhecida, bem como da viabilidade de acrescer novas características a essa radiação mediante tecnologias de desenvolvimento recente, a se tornarem rotineiras em curto prazo. A coe rência de fase é um exemplo dessas últimas características, a a- juntar-se ao elenco das características já em uso, quais sejam, a espectro branco, a colimação, a luminosidade, a polarização plana, e a estrutura pulsada constituída por extremamente curtas im pulsoes. A RS ê uma radiação sobejamente conhecida. Se origina na curvatura de trajetória das partículas eletricamente carregadas, e se irradia em estreito cone de eixo tangencial ã trajetória encurvada (fig. 1). A quase totalidade d a radiação gerada se concentra no plano da trajetória, lugar onde a RS é plano polari zada. 0 espectro da RS é contínuo, dentro de uma faixa de comprimentos de ondas onde, aproximadamente, a energia total irradiada se equiparte acima e abaixo de um comprimento de ondas \ (comprimento de onda crítico). \ é uma função inversa da indjj çío magnética B que curva a trajetória e do quadrado da energia 53

2 E da partícula submetida a B, (X espectro decai rapidamente (fig. 2) caimento lento. B-V 2 ). Abaixo de X Acima de X ocorre um de Fig. 1 Fig Fig. 2 X (A) A fig. 2 traduz, aproximadamente, o espectro de RS orj_ ginado por elétrons da ordem de 2 GeV com trajetória encurvada por uma indução magnética aproximada a t T esla. 0 eixo vertical é graduado em unidades arbitrárias representando o fluxo de fotons confinados em estreita faixa de comprimentos de onda. 0 espectro delineado na fig. 2 se inicia na região dos RX duros e se e tende até o infravermelho afastado. A maioria dos fotons se co centra no RX e no ultra-violeta de vácuo (VUV). Nessa região pa recém também concentrar-se os usos de maior interesse para a RS. A energia RS irradiada por uma partícula relaciona-se ã energia de repouso dessa partícula (E ) na forma, W - E. Essa relação elimina, como fontes práticas de RS, outras partículas que não o elétron e o positron (e~, e*). Os elétrons, peta facilída de de produção, são empregados na maioria dos geradores de RS ho je existentes. Os positrons, pela menor interação com os ions residuais das câmaras de vácuo, e, em conseqüência, pela maior djj

3 ração de vida que da' decorre para os feixes no interior dos anéis de armazenagem, são alternativas a serem consideradas em máquinas cuja arquitetura possa favorecer a produção e a aceleração dessas partículas. Os Linacs de alta energia, quando usados como injetores, bem se ajustam ã essa alternativa. A utilização de elétrons (ou positrons) para a geração de RS favorece a obtenção prática de altos valores para a relação E/E, bem como de trajetórias encurvadas em pequenos raios. Esses E/E, e R, assim praticamente obtenfveis, incrementam a qualidade da RS, cuja energia integral é proporcional a (E/E ) R, e cujo comprimento de onda crítico se desloca para a região dos A curtos de conformidade com o fator R/E. Para os fins prátj_ cos o limiar curto do espectro, tendo em vista o acentuado decaj_ mento do fluxo de fotons, se situa na abcissa X /3 0 posicionamento de X na escala dos comprimentos de onda é um fator preponderante no dimensionamento de um gerador de RS compatível com uma ampla e variada utilização. 0 fluxo de fo_ tons, conquanto também relevante e dependente da intensidade do feixe de partículas armazenadas, produz efeitos integrados no que concerne às aplicações práticas, admitindo, em conseqüência, incrementações do desempenho da máquina çeradora de RS, sem mod i f_i_ cações das características dessa máquina, mediante uma ampliação dos tempos de exposição. A energia dos fotons, entretanto, tem seu limiar máximo rigidamente vincutado a X (c ~ X ), o que e- limina a viabilidade do trabalho em comprimento de onda curtos, se o projeto da máquina não tiver previsto a existência desses corn primentos de onda na RS. 0 fator R/E^, supramencionado, dete minante na locação de X, assume, em conseqüência, um particular destaque na especificação e prjjeto de um gerador de RS. Para a emissão de RS se torna necessário o encurvamento de trajetórias percorridas por partículas leves eletricamente carregadas. Esses encurvamentos podem ocorrer em seções retas das máquinas geradoras, desde que sucessivos desvios de direção se m nifestem alternativamente, em sentidos opostos, preservando para o feixe de partículas uma direção reta geral, e superpondo a esse eixo retilíneo uma perturbação, de pequena amplitude, qua-.; si nusoidal. Os perturbadores de trajetórias ret 11íneas mencionados precedentemente, conquanto usados cada vez mais Intensivamente, são instrumentos adicionais na radiação RS, e se inserem, sob os nomes de "unduiadores" e de "wigglers", nos geradores de RS em cí rcu íto fechado. 55

4 Tido em conta que a geração de RS por um feixe de partículas não implica em retirada de partículas do feixe, ê natural que se disponha esse feixe em circuito fechado de modo a reaproveitã-lo continuamente para produzir RS nos lugares em que essa radiação melhor convenha aos utilizadores. As trajetórias circ^ lares não são convenientes pois levam as partículas a radiarem, indiferentemente, nas regiões onde se faz, ou não, uso dessa radiação. As trajetórias quase poligonais, com vértices substituí dos por seções encurvadas, levam as partículas a só irradia r em ne ses encurvamentos, nos quais se posicionam os escapes oe RS d i r i_ gidos para os locais dos uti I izasores. Tendo em vista que. ao término de um ciclo no circuito fechado, o feixe de partículas \ r_ radiou (como RS) um certo decremento de energia, é necessário restituir-lhe essa energia perdida, o que se faz., correntemente, \n_ tercalando ao longo de uma das seções retas uma cavidade alimentada com energia RF, cuja freqüénzia, fase, e intensidade de cam po elétrico, são ajustados ã re-energ i zação visada. Essa cavida_ de, a par de restituir energia irradiada, pode também, dentro de certos limites, produzir uma aceleração adicional para as partículas constutivas do feixe. Essa aceleração assume particular \n teresse quando a energia das partículas injetadas no gerador de RS é insuficiente para que a radiação emitida contenha o \ de_ sejado. Os mecanismos de confinação, circulação e aceleração de um feixe de partículas, acima mencionados em vinculação com a g ração de RS, identificam o gerador, a menos de alguns detalhes, com o bem conhecido acelerador sincrotron a elétrons. Os procedimentos de injeção admitem um variado elenco de soluções satisfatórias, mas a etapa final de um gerador de RS, onde circulam as partículas de mais alta energia, armazenadas em feixe de alta Í tensidade, se constitui em um sincrotron peculiar, onde se dá maior evidência, e duração, a algumas das fases que intervém na o peração dos sincrotrons comuns. Num sincrotron de rotina, se lhe injetam elétrons (caso particular do sincrotron de e* ) a uma energia de uma ou mais dezenas de MeV. A máquina captura essas partículas, cor renteme te produzidas por um Linac,emuma órbita estável de raio R. Uma induçio magnética programada c, de distribuição e intensidade convenientes, confina as partículas nessa trajetória. Uma seção de RF, intercalada na órbita, acelera gradualmente as partículas

5 do feixe, e uma elevação monótona, de B, mantêm a órbita sob o mesmo raio R, a menos de oscilações de pequena amplitude. 0 mecanismo de aceleração pode prosseguir enquanto for factível a e- levação de B em sincronismo com a energiz^ção do feixe. Para os fins práticos, nos prismas magnéticos de encurvamento da trajeto ria, a saturação do ferro limita 6 a um nível máximo inferior a 2 Tesla. Finda a aceleração, o feixe pode manter-se circulando na trajetória fina) ou ser ejetado, por perturbações propositais, para utilização no exterior do sincrotron. Em ordem de grandeza, a evoluçlo completa supramencionada repete-se algumas vezes por segundo e, ao término de cada ciclo de aceleração, se obtém um feixe de intensidade da ord^m dos microamperes acelerado a energias de até centenas de MeV. Um feixe da natureza do acima descrito, correntemente obtenívet com os sincrotrons de elétrons, tem uma intensidade iji suficiente para produzir RS de satisfatória brilhância. Ao mesmo tempo, em decorrência das flutuações associadas às oscilações que se fazem presentes nos repetitivos ciclos de aceleração, os feixes de partículas assim obtidos não apresentam a resolução em energia, a duração de impulsos, e a focaiização, que são convenientes para a geração da RS. Outros ace I eradores, reti I íneos ou curvilíneos (Linacs, microtrons), usãveis e correntemente usados ao invés dos sincrotrons convencionais, produzem feixes corn carac terísticas diferentes das acima mencionadas, mas invariavelmente deficientes em corrente para uma produção justificável de RS. Quaisquer das máquinas previamente citadas, sincrotrons, linacs, microtrons, prestam-se entretanto para injetores de um sincrotron final, que lhes capture as partículas aceleradas e as armazene em uma órbita estável até que a corrente assim acumulada tenha assjj mido uma intensidade suficiente para a geração de RS com sufícíeji te brilhância. Correntes da ordem de alguns décimos de ampére, focalizadas cm seções retas de centésimos de mm são obteníveís com o emprego de tecnologias correntes, em anéis de armazenagem hoje em serviço. Nesses anéis, que constituem-se em sincrotrons especiais, tem particular ênfase a fase inicial de acumulação de partículas (duração de minutos) e a fase terminal de utilização da RS emitida pelas partículas acumuladas (duração de horas). En tre essas fases pode, ainda, por efeito sincrotron, ser acrescida a energia das partículas armazenadas, elevando-ó desde o nível da energia de injeção (da ordem da centena de MeV) até o nível da 57

6 energia de utilização (próxima de, ou superior a, 1 GeV). A leração se torna dispensável, com benefício para a simplificação do anel de armazenagem, quando a injeção ocorre ao nível da energia de utilização. Esse é o caso de algumas injeções por Linacs, onde o ínjetor tem dupla finalidade, e, uma vez completada a acu mui ação de cargas no anel, se torna disponível para a utilização em outra área da física de altas energias. A duração da vida do feixe armazenado, e em conseqüência o seu aproveitamento para a geração de RS, pode estender-se por algumas horas, desde que o vácuo no recinto em que as cargas circulam tenha expurgado suficientemente os gases residuais. Pre soes internas da ordem de 10 Tor permitem vidas médias superiores ã dezena de horas. A elevação dessa pressão por um fator da ordem de uma centena de Tor reduz a sobrevivência do feixe pjj ra a ordem de alguns minutos. As tecnologias de ultra alto vácuo, que se empregam no projeto e na exaustão do anel de armazenagem, embora exigindo especiais cuidados, são simples e suficie_n temente conhecidas. Os percalços tidos em alguns geradores de RS já em serviço, quanto ã preservação desse alto vácuo durante a o_ peração da máquina, estão suficientemente analisados e diagnostj_ cados, constituindo-se em valioso subsídio para o projeto de engenhos dessa natureza. A ótica eletromagnética envolvida nos anéis geradores de RS difere, apenas em algumas peculiaridades, da sua congênere que está em uso nos sincrotrons convencionais. Participam dessa ótica prismas de encurvamento de órbita, quadripolos e exapolos de focaiização, e elementos de perturbação da trajetória usados na captura dos feixes injetados. As peculiaridades acima mencí nadas concernem ã precisão dos parâmetros intervenienr.es nesses conhecidos órgãos. Esse cuidado quanto ã precisão se vincula â instabilidade potencial do feixe, decorrente da alta corrente cem finada, bem como ã necessidade de focalizar tal feixe, em algumas regiões do gerador de RS, sob seçõe- retas cujas dimensões trans^ versais situam-se na ordem dos décimos de milímetro. A alta estabilidade do feixe, e a rigorosa focalização em alguns locais, se tornam indispensáveis, seja para a geração convencional de RS com a devida brilháncia, seja para permitir que, em alguns lugares, se possam intercalar instrumentais para a redução de A (wigglers) ou para a geração de RS coerente (unduladores). 0 suprimento de energia ao feixe armazenado, destinado

7 a compensar as perdas por radiação RS, ou a prover aceleração adj^ cional ao feixe, envolve tecnologias de UHF (ultra alta freqüência) de há muito utilizados nos sincrotrons convencionais, e suficientemente difundidas através da aplicação em diferentes áreas das telecomunicações. Há especiais cuidados a se ter em conta quanto ao fator de mérito da cavidade aceleradora, cuja degradação pela alta carga circulante eleva o conteúdo harmônico da RF, com detrimental efeito para a estabilidade do feixe. Os fenômenos intervenientes, entretanto, estão conhecidos, e as tecnologias a se empregarem estão dominadas, no nível de precisão e qualidade que se faz mister. II. CONCLUSÃO A arquitetura detalhada de um gerador da RS não é rel vante na fase em que se esta auscultando a comunidade científica para o levantamento dos interesses correlatos a implantação de um laboratório de RS no país. E importante entretanto ser reconhecida a viabilidade de se projetar tal gerador e de construílo, quase integralmente, com pessoal e implantações de que o país dispõe. Essa assertiva não significa a existência, hoje, do pes^ soai altamente especializado nessas máquinas, capaz de desencadear um imediato projeto e iniciar, de pronto, uma correta construção. A experiência nacional na área de aceleradores, embora fundamental para o empreendimento em causa, concentra-se em alguns setores do extenso espectro envolvido na realização de uma fonte de RS. Há entretanto elementos no país, que, visando a outros usos que não a geração de radiação RS, capacitaram-se suficientemente em tecnologias correlatas, e que se podem constituir em muito bons especialistas, se postos a coexistir com alguns dos vários grupos que projetam e constróem, em países diversos, geradores de RS de moderna geração, A Direção do LURE, em Orsay, França (por e- xemplo) onde se encontra em construção o anel ACO, vem de acolher a designação de tecnólogos brasileiros para incluirem-se nos grjj pos que ali estão construindo aquela importante fonte de radiação. Em se tratando de assuntos que, científica e tecnologicame te, estão abertos ao conhecimento da comunidade interessada, a convivência supramencionada poderá converter em muito bons especialistas, vinculados a assuntos de anéis de armazenagem, os te_c nó logos de áreas profissionais diversas (microondas, uhf, magne- 59

8 ti SIDO, servomecanismos, controles, ótica eletromagnética, materiais, criogenia, e instrumentação) participantes desse procedimento de ampliação do saber em tecnologias refinadas e extremamente atuais. Esse pessoal, apôs cerca de um ano de trabalhos jun to a grupos externos de competência equivalente a do que vem de ser mencionado, terá coberto, em nível de detalhamento, todos os assuntos e as tecnologias intervenientes no projeto nacional de um gerador de RS e na sua quase integral construção no país. Os meios industriais para essa construção existem, implantados, no parque nacional, visando ao atendimento de finalidades outras que não a dos geradores de radiação sincrotron. 0 seu deslocamento, na dimensão compatível, para uma utilização no engenho ora em cau sa, se torna em um procedimento de simples realização quando estiver constituído o núcleo de pessoal, capaz de projetar as partes a construir, e transferi-las ã indústria com as devidas espe_ c i f i cações. As considerações e conclusões contidas no presente tex to dizem respeito às tecnologias intervenientes nos mecanismos p ra a geração de RS. Compreendem máquinas que aceleram e armazenam partículas e que, dessas partículas, extraem a radiação. Não está contido, no contexto tratado, o instrumental de uso específico dos utilizadores. Esse instrumental, devido ã alta diversj_ ficação, decorrente não só das medições visadas, como também dos posicionamentos em comprimento de onda, parece dever, quando opo tuno, ser considerado separadamente por usuários com vivência em RX, VUV, e infravermelho. Não está contido, também, no tratamento acima, qualquer esboço de arquitetura modular, indicativo de um gerador implemen távei em energia conforme o investimento e a demanda dos usuários. Embora esse modelo evolutivo se afigure como racional, é prematu ro delinear conceituai mente uma máquina, enquanto não levantada, razoavelmente, a prospectiva dos interesses dos utilizadores. Es ses interesses são caracteristicamente dinâmicos. Assim tem ocor rido nos laboratórios mais significativos. Em conseqüência, as máquinas postas em serviço tem de evoluir, também, gradualmente. Assim tem sido, e assim parece dever ser. A gradual idade dos ínvestj_ mentos possíveis induz, também, a essa progressividade. A máquj_ na necessita de uma concepção flexível para poder acolher a intercaiação de implementos que hoje não estão inteiramente otimizados, mas que evoluem significativamente. Ao mesmo tempo sua ar_ 60

9 quitetura deve ser delineada para ajustar-se, passo a passo, ao longo do tempo, a desempenhos que, no momento presente, jã se po dem especificar precisamente. A título de exemplo, tendo em vi ta o somatório dos fatores de gradual idade, nos quais se inclui a evolução do universo e da experiência dos utilizadores, pode vir a ser razoável que um investimento inicial leve a um módulo gerador de VUV, e que recursos a aplicarem-se subseqüentemente a_ juntem à estrutura precedente um novo módulo otimisado para a ra diação X. Ê desejável que o módulo inicial - se vier a subsistir após o balanço das razões que definirem a arquitetura da máquina - seja provido de flexibi1 idades suficientes para a hipótese de encurtar subseqüentemente o seu X, através da inserção de equj_ pamentos auxiliares. Em que pesem as menções do texto imediatamente acima, não está sendo indicado um delineamento de arquitetura sem o respaldo de suficiente prospective emanada dos interes_ ses dos usuários. Foi, entretanto, visado deixar bem posicionado que, qualquer que venha a ser a prospectiva levantada,está em causa um empreendimento cujo projeto, e cuja execução, podem levar-se a termo, em relativamente curto prazo, com pessoal e meios existentes no país. Um triênio se afigura como um tempo razoavej^ mente justo para o curto prazo supramencionado.

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