Uma fonte de luz sincrotrão é uma fonte de radiação eletromagnética (EM) geralmente produzida por um anel de armazenamento, para fins científicos e técnicos. Observada pela primeira vez em sincrotrões, a luz sincrotrão é agora produzida por anéis de armazenamento e outros aceleradores de partículas especializados, acelerando tipicamente eletrões. Uma vez gerado o feixe de eletrões de alta energia, este é direcionado para componentes auxiliares, tais como ímanes de curvatura e dispositivos de inserção (onduladores ou wigglers) em anéis de armazenamento e laseres de eletrões livres. Estes fornecem os campos magnéticos fortes, perpendiculares ao feixe, necessários para estimular os eletrões de alta energia a emitirem fotões.
As principais aplicações da luz sincrotrão verificam-se na Física da matéria condensada, Ciência dos materiais, Biologia e Medicina. Uma grande fração das experiências que utilizam luz sincrotrão envolve a sondagem da estrutura da matéria, desde o nível sub-nanométrico da Estrutura eletrónica até aos níveis micrométricos e milimétricos, importantes em Imagiologia médica. Um exemplo de uma aplicação industrial prática é o fabrico de microestruturas pelo processo LIGA.
O sincrotrão é um dos tipos de fontes de luz mais caros que se conhece, mas é praticamente a única fonte luminosa viável de radiação de banda larga na gama de comprimentos de onda do infravermelho longínquo para algumas aplicações, como a espetrometria de absorção no infravermelho longínquo.
Brilho espetral A principal figura de mérito utilizada para comparar diferentes fontes de radiação sincrotrão tem sido referida como "brilho" (brightness), "brilhantismo" (brilliance) e "brilho espetral" (spectral brightness), sendo este último termo recomendado como a melhor escolha pelo Grupo de Trabalho em Nomenclatura de Sincrotrão. Independentemente do nome escolhido, o termo é uma medida do fluxo total de fotões num determinado espaço de fases hexadimensional por unidade de largura de banda (BW).
O brilho espetral é dado por
onde é o número de fotões por segundo no feixe, e são os valores da raiz do valor quadrático médio (RMS) para o tamanho do feixe nos eixos perpendiculares à direção do feixe, e são os valores RMS para o ângulo sólido do feixe nas dimensões x e y, e é a largura de banda relativa, ou dispersão na frequência do feixe em torno da frequência central. O valor habitual para a largura de banda é 0,1%.
O brilho espetral tem unidades de tempo−1⋅distância−2⋅ângulo−2⋅(% largura de banda)−1.
Propriedades das fontes de luz sincrotrão Especialmente quando produzida artificialmente, a radiação sincrotrão destaca-se pelo seu:
Elevada intensidade e brilho, muitas ordens de magnitude superior aos raios X produzidos em tubos de raios X convencionais: as fontes de 3.ª geração têm tipicamente um brilho superior a 1018 fotões·s−1·mm−2·mrad−2/(0,1%BW), onde 0,1%BW denota uma largura de banda de 10−3ω centrada na frequência ω.
Elevado nível de polarização (linear, elíptica ou circular).
Elevada colimação, ou seja, feixe altamente focado e estreito de partículas de alta energia.
Baixa emitância, ou seja, secção transversal e ângulo sólido de emissão muito pequenos e bem focados.
Ampla ajustabilidade em energia/comprimento de onda por monocromatização, ou seja, capacidade de sintonizar um feixe intenso de luz numa energia/comprimento de onda desejado (desde sub-eletrão-volts até à gama dos megaeletrão-volts).
Emissão de luz pulsada (durações de pulso iguais ou inferiores a um nanosegundo, ou um bilionésimo de segundo): conhecidos como "bunches" (pacotes) dentro do anel de armazenamento.
Categorias de fontes de luz sincrotrão As fontes de luz sincrotrão podem ser classificadas em três categorias gerais, também conhecidas como "gerações".
Fontes de luz de primeira geração: sincrotrões originalmente construídos para física de partículas de alta energia. As máquinas existentes são depois modificadas para produzir radiação sincrotrão. Alguns exemplos de fontes de luz sincrotrão de primeira geração incluem: O Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF), localizado em Gaithersburg, Maryland. O Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) de 6 GeV, localizado em Hamburgo, Alemanha. O Sincrotrão de Eletrões de 1,1 GeV do Laboratori Nazionali di Frascati (LNF), localizado em Roma, Itália.
Fontes de luz de segunda geração: instalações de investigação construídas especificamente para a produção de radiação sincrotrão, mas que não foram concebidas para baixa emitância. Alguns exemplos de fontes de luz de segunda geração incluem: O Daresbury Synchrotron Radiation Source (SRS), localizado em Cheshire, Inglaterra. O Hamburg Synchrotron Radiation Laboratory (HASYLAB), localizado em Hamburgo, Alemanha.
Fontes de luz de terceira geração: instalações de investigação construídas especificamente para a produção de radiação sincrotrão e projetadas para baixa emitância. Alguns exemplos de fontes de luz de terceira geração incluem: O European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), localizado em Grenoble, França. A Source Optimisée de Lumière d'Énergie Intermédiaire (SOLEIL), localizada em Saint-Aubin, França. O Advanced Light Source (ALS), localizado em Berkeley, Califórnia. A Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY II), localizada em Berlim, Alemanha. O Diamond Light Source, localizado em Oxfordshire, Inglaterra.
Radiação sincrotrão em aceleradores A radiação sincrotrão pode ocorrer nos aceleradores quer como um inconveniente, causando perdas de energia indesejadas em contextos de Física de partículas, quer como uma fonte de radiação produzida deliberadamente para inúmeras aplicações laboratoriais. Os eletrões são acelerados a altas velocidades em várias fases para atingir uma energia final que se situa tipicamente na gama dos gigaeletrão-volts. Os eletrões são forçados a percorrer um caminho fechado por campos magnéticos fortes. Isto é semelhante a uma antena de rádio, mas com a diferença de que a velocidade relativista altera a frequência observada devido ao Efeito Doppler por um fator . A Contração de Lorentz relativista aumenta a frequência por outro fator de , multiplicando assim a frequência de giga-hertz da cavidade ressonante que acelera os eletrões para a gama dos raios X. Outro efeito dramático da relatividade é que o padrão de radiação é distorcido do padrão de dipolo isotrópico esperado da teoria não-relativista para um cone de radiação extremamente apontado para a frente. Isto faz das fontes de radiação sincrotrão as fontes mais brilhantes conhecidas de raios X. A geometria de aceleração planar torna a radiação linearmente polarizada quando observada no plano orbital, e circularmente polarizada quando observada num ângulo pequeno em relação a esse plano.
As vantagens de utilizar a radiação sincrotrão para espetroscopia e difração foram percebidas por uma comunidade científica em constante crescimento, a partir das décadas de 1960 e 1970. No início, os aceleradores eram construídos para a física de partículas e a radiação sincrotrão era utilizada em "modo parasitário", quando a radiação dos ímanes de curvatura tinha de ser extraída através da perfuração de orifícios extra nos tubos do feixe. O primeiro anel de armazenamento comissionado como fonte de luz sincrotrão foi o Tantalus, no Synchrotron Radiation Center, operacional pela primeira vez em 1968.E. M. Rowe and F. E. Mills, Tantalus I: A Dedicated Storage Ring Synchrotron Radiation Source, Particle Accelerators, Vol. 4 (1973); pages 211-227.
Os eletroímanes de curvatura nos aceleradores foram os primeiros a ser utilizados para gerar esta radiação, mas para gerar uma radiação mais forte e "mais brilhante", são por vezes empregues outros dispositivos especializados – dispositivos de inserção. Inovações como a Rede de Chasman-Green, um conjunto de ímanes que maximiza o brilho, levaram a uma segunda geração de fontes de luz dedicadas. O National Synchrotron Light Source no Laboratório Nacional de Brookhaven foi o primeiro a utilizar tal rede.
As fontes de radiação sincrotrão de terceira geração dependem tipicamente destes dispositivos de inserção, onde secções retas do anel de armazenamento incorporam estruturas magnéticas periódicas (compostas por muitos ímanes num padrão de polos N e S alternados – ver diagrama acima) que forçam os eletrões a uma trajetória sinusoidal ou helicoidal. Assim, em vez de uma única curvatura, dezenas ou centenas de "oscilações" (wiggles) em posições precisamente calculadas somam ou multiplicam a intensidade total do feixe. Estes dispositivos são chamados de wigglers ou onduladores. A principal diferença entre um ondulador e um wiggler é a intensidade do seu campo magnético e a amplitude do desvio da trajetória retilínea dos eletrões. A primeira fonte de luz de terceira geração, construída com onduladores como parte do projeto inicial, o European Synchrotron Radiation Facility, foi aberta aos utilizadores em 1994.
As fontes de quarta geração, como o Sirius no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) do Brasil, utilizam ímanes "acromáticos de múltiplas curvaturas" (multi-bend achromat) para aumentar ainda mais o brilho dos seus feixes de eletrões.
Aplicações da radiação sincrotrão
A radiação sincrotrão de um feixe de eletrões que circula a alta energia num campo magnético leva à autopolarização radiativa dos eletrões no feixe (Efeito Sokolov-Ternov). Este efeito é utilizado para produzir feixes de eletrões altamente polarizados para utilização em várias experiências.
A radiação sincrotrão define o tamanho dos feixes (determinado pela emitância do feixe) em anéis de armazenamento de eletrões através dos efeitos de amortecimento por radiação e excitação quântica.The Physics of Electron Storage Rings: An Introduction by Matt Sands
Linhas de luz (Beamlines)
Numa instalação de sincrotrão, os eletrões são geralmente acelerados por um sincrotrão e depois injetados num anel de armazenamento, no qual circulam, produzindo radiação sincrotrão, mas sem ganhar mais energia. A radiação é projetada tangencialmente ao anel de armazenamento de eletrões e capturada pelas linhas de luz (beamlines). Estas linhas de luz podem ter origem em ímanes de curvatura, que marcam os cantos do anel de armazenamento; ou em dispositivos de inserção, que se localizam nas secções retas do anel de armazenamento. O espetro e a energia dos raios X diferem entre os dois tipos. A linha de luz inclui dispositivos óticos de raios X que controlam a largura de banda, o fluxo de fotões, as dimensões do feixe, o foco e a colimação dos raios. Os dispositivos óticos incluem fendas, atenuadores, monocromatizadores de cristal e espelhos. Os espelhos podem ser curvados em formas toroidais para focar o feixe. Um fluxo elevado de fotões numa área pequena é o requisito mais comum de uma linha de luz. O design da linha de luz varia com a aplicação. No final da linha de luz encontra-se a estação experimental final, onde as amostras são colocadas na linha da radiação e os detetores são posicionados para medir a resultante difração, dispersão ou radiação secundária.
Técnicas experimentais e utilização