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Linha de Luz Paineira

PAINEIRA será uma linha de luz do Sirius dedicada a técnica de difração de raios X de materiais policristalinos (PXRD) e funcionará em geometria Debye-Scherrer (modo de transmissão ou também chamada de geometria capilar). Essa técnica permite a caracterização do ordenamento tridimensional de átomos ou moléculas em materiais, chamado de estrutura cristalina.

A fonte de raios X será um ondulador e essa estação experimental terá fluxo de fótons da ordem de 10.000 vezes maior do que a linha XPD no antigo UVX. Isto implicará na coleta de dados de forma mais rápida e eficiente. Assim, possibilitará a caracterização de fases cristalinas intermediárias, bem como a evolução estrutural das amostras em experimentos in situ e operando. Sua geometria é ideal para medidas em amostra na forma de pó, mas pastilhas e filmes policristalinos também podem ser analisadas usando porta amostras adequado em desenvolvimento.

A PAINEIRA operará com energia de 5 a 30 keV (2,48 – 0,41Å) e usará o difratômetro de 3-círculos Heavy-Duty da Newport, que operava na linha XRD1 do UVX (Fig. 1-1)).

A PAINEIRA possibilitará dois modos de detecção dos perfis de PXRD, um de alta resolução angular e outro de detecção rápida. O modo de alta resolução, obtido com sistema de cristais multi-analisadores (Fig. 2), proporcionará a detecção de picos de difração de raios X da ordem de 0.008° de largura à meia altura (FWHM). Por ser um modo de baixo fluxo, a coleta do padrão de difração de raios X está estimada em 1h. Já no modo de detecção rápida, os feixes difratados pela amostra serão coletados com um sistema de detectores em forma de arco, cobrindo de uma vez 100° em 2θ. Este sistema proporcionará resolução, designada de média resolução, de 0.05° (FWHM) em 2θ e o padrão de difração levará segundos para ser adquirido.

Figura 1. Desenho da estação experimental da linha PAINEIRA: 1) difratômetro 3-círculos, Heavy-Duty da Newport; 2) detector de alta resolução; 3) detector rápido em forma de arco abrangendo 100° em 2θ ; 4) magazine de amostras com capacidade para 120 capilares; 5) braço robótico para troca automática de amostras no difratômetro; 6) suportes para o cryojet e o soprador de ar para serem usados no resfriamento e aquecimento dos capilares; 7) braço robótico que pegará e segurará o cryojet ou soprador de ar quente sobre o capilar durante a aquisição de PXRD e 8) módulo de controle de fluxo de gases e módulo de controle de experimentos in situ e operando.

O tempo de experimento será otimizado, já que a estação experimental contará com troca automática de amostras e a possibilidade de aquecer ou esfriar a amostra em capilar com soprador térmico (25 – 800 °C) e cryojet (-196 – 120 °C) (Fig. 1). Nesta infraestrutura automatizada, chamada de modo de operação high-throughput, o usuário poderá optar pelo modo de detecção em alta resolução e/ou de detecção rápida, dependendo da necessidade de seu caso científico. No caso de experimentos com média resolução angular (detecção rápida e resolução de 0.05° em FWHM), será possível coletas de centenas de difratogramas em minutos, ou ainda centenas de amostras em horas. Além disso, o usuário contará com cela de reação em geometria capilar, sistemas para controle de fluxo de gases e pressão de gases e líquidos, fluxo de vapor e analisadores de gases (espectrômetro de massas e micro-GC) para a realização de experimentos de reação química durante a coleta de dados de PXRD (ver Tabela 3). Está em desenvolvimento um sistema de porta-amostra que permitirá contato elétrico em materiais na forma de pastilha e filmes. Além disso, serão desenvolvidos cela e suportes para estudos operando de baterias e supercapacitores. Algumas das principais áreas beneficiadas pelos experimentos serão Ciência de Materiais (fármacos, catálise, dispositivos para armazenamento e captura de energia, como baterias e supercapacitores, cerâmicas multiferroicas) e Ciências Ambientais (geociência).

CONTATO & EQUIPE

E-mail da Instalação: paineira@lnls.br

Coordenação: Cristiane B. Rodella
Tel.: +55 19 3512 1040
E-mail: cristiane.rodella@lnls.br

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TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

DIFRAÇÃO DE RAIOS X DE ALTA RESOLUÇÃO

O modo de alta resolução contará com um sistema de 8 cristais analisadores de Si (111), alinhados na frente de detectores cintiladores pontuais (Fig. 2). O feixe de raios X difratado pela amostra, passará então pelos cristais analisadores em um ângulo muito estreito antes de atingir o detector. Esse ângulo, que é a largura de Darwin do Si(111) na energia do experimento, permitirá apenas feixes difratados em perfeita condição de Bragg sejam detectados. Por exemplo, a 15keV com um cristal analisador de Si (111), a largura de Darwin é de aproximadamente 3.55 arcsec. Esta configuração produzirá picos de difração muito estreitos e removerá o sinal de background causado por espalhamentos que não são da amostra, resultando na alta resolução e em otimizada relação da razão sinal-ruído no experimento de PXRD. Estima-se que picos de difração com largura à meia altura (FWHM) da ordem de 0.008° em 2θ, sejam caracterizados. No entanto, esse modo de detecção requer elevado tempo de aquisição do padrão de difração. Estima-se em 1h para coleta de um padrão de difração de raios X, com ângulo 2θ variando de 5-100°em 15keV. Vale ressaltar que antigo UVX este tempo era em média de 10 h em 8 keV.

Figura 2. O sistema MAC da FMB-Oxford para experimentos de alta resolução.

DIFRAÇÃO DE RAIOS X DE MÉDIA RESOLUÇÃO (DETECÇÃO RÁPIDA)

O detector de média resolução angular é um desenvolvimento interno do grupo de detectores do LNLS em parceria com a empresa Pi-Tecnologia. A proposta é construir um sistema de detecção baseado nos sensores Medipix3RX ASIC, dispostos na forma de arco (Fig. 1-3)) para detecção rápida, e assim otimizando o tempo de medida da linha em casos de demanda de média resolução angular. Além disso, deve atender aos casos científicos que requerem rápida detecção do sinal difratado, pois a amostra está em transformação estrutural (demanda de resolução temporal) e/ou de sensibilidade da amostra aos raios X (danos da amostra pelo feixe de raios X).

Chamado de Arcpix, este detector possui 10 módulos, com 2 elementos de Si cada, instalados em forma de arco. Cada elemento de Si (Medipix3RX ASIC) conta com um chip de 256 x 1550 pixels com  55 μm x 55 μm cada pixel colocados a 89cm da amostra, resultando em resolução angular de 0.05° (FWHM). Sua taxa de leitura de será de até 1000 frames por segundo. O Arcpix será montado rigidamente no círculo delta do difratômetro. Isto resultará tanto em ampla cobertura angular, quanto em agilidade de medida. O padrão de raios X, num intervalo de 2θ de 0 a 100°, será coletado de uma só vez em poucos segundos. Por ser um detector 2D (256 pixels x 30.060 pixels), uma integração azimutal será feita a cada medida para a transformação da imagem do padrão de difração de raios X em gráfico de Intensidade versus 2θ. Além disso, como existirá uma região “cega” entre os módulos do detector, após a coleta de uma imagem, será preciso mover o detector para uma segunda coleta com os sensores cobrindo essa região “cega”. Assim, duas medidas individuais com offset serão somadas para produzir um único difratograma contínuo e um software fará a sobreposição e correções necessárias para o resultado (gráfico Intensidade vs 2θ) ser rapidamente visualizado pelo usuário.

AMBIENTES DE AMOSTRA

PAINEIRA disponibilizará porta-amostras, cela de reação e equipamentos analíticos para medidas em condições ambientes e também com aquecimento, resfriamento e reações químicas. Além disso, o grupo PAINEIRA estará sempre trabalhando em novos desenvolvimentos de instrumentação para experimentos in situ e em operando para a comunidade científica de usuários. Na tabela abaixo são mostrados sistemas já desenvolvidos e que estarão disponíveis assim que a linha de luz estiver em operação.

Figura 3: Porta amostras, cela e acessórios para os experimentos de difração de raios X de policristais na PAINEIRA.

LAYOUT & ELEMENTOS ÓTICOS

Elemento Tipo Posição [m] Descrição
Fonte Dispositivo de inserção U 18 – Kyma
Fenda de feixe branco Fenda 27,9 Determinação da divergência do feixe
Diagnóstico de feixe Diagnóstico 28,2 Visualização e diagnóstico do feixe branco
Monocromador de duplo cristal Monocromador Bruker 30,0 Monocromatização
Diagnóstico de feixe 32,0 Visualização e diagnóstico do feixe monocromático
Fenda de feixe monocromático 43,4 Fenda de feixe monocromático
Diagnóstico de feixe 43,4 Contador de intensidade inicial (I0)
Atenuador de raios X 44,8 Atenuador de feixe
Braço robótico GP25 – Motoman 45,2 Trocador de ambiente de amostra
Módulo de controle de experimentos in situ Desenvolvimento in house 45,5 Controle de fluxo de gases e controle de experimentos
Difratômetro Heavy-Duty 3 círculos 46,0 Alinhamento da amostra com feixe incidente e com os detectores do feixe difratado
Sistema de detecção MAC – FMB Oxford 46,0 Conjunto com 8 cristais analisadores independentes com separação de 2θ de ~2° de detectores cintiladores de
Sistema de detecção ARCPIX (desenvolvimento in house) 46,0 Detector rápido em forma de arco com cobertura angular de 100°
Braço robótico GP8 – Motoman 46,5 Trocador de amostra
Magazine de amostra Desenvolvimento in house 47,0 Carrossel de armazenamento de amostras onde o robô GP8 pegará a amostra
Visualização do feixe de raios X Olhos de raios X e fotodiodo 47,5 Visualizador do feixe transmitido

 

PARÂMETROS

Parâmetro Valor Condição
Faixa de energia 5 – 20 keV
14 – 30 keV
Si(111)
Si(311)
Fluxo na amostra [ph/s] ~1013 15 keV
Resolução de energia (ΔE/E) ~10-4 15 keV
Resolução angular (MAC) 0.008° FWHM @ 15 keV
Intervalo angular em 2θ (MAC) 3° – 145°
Resolução angular (ARCPIX) 0.05° (qualquer energia)
Intervalo angular em 2θ (ARCPIX) 3° – 100°
Tamanho do feixe [mm x mm] 1.1 (v) x 1.7 (h) FWHM @ 15 keV
Divergência do feixe [μrad] 25 (v) x 37 (h) FWHM @ 15 keV