O que é uma Linha de Luz?

Após sua produção nos aceleradores, a luz síncrotron é guiada para as estações experimentais, chamadas Linhas de Luz, instaladas ao redor do anel de armazenamento. É nas linhas de luz que a radiação passa pelas amostras a serem analisadas, possibilitando as medições experimentais.

As fontes de luz síncrotron comportam diversas linhas de luz, e nelas são realizados experimentos usando diferentes técnicas, como espectroscopia do infravermelho aos raios X, espalhamento de raios X, cristalografia, tomografia e outras.

Os requisitos técnicos de uma linha de luz dependem das características do feixe de luz que serão necessárias para iluminar as amostras nas análises que se pretende realizar (tais como resolução de energia, tamanho e divergência), bem como da sua interação com o sistema de detecção.

Cada linha de luz é composta por quatro sistemas principais: a fonte de radiação, o front-end, a ótica e a estação experimental (com seus detectores e porta-amostras), além de um conjunto de elementos de infraestrutura.

Fontes de radiação e front-end

A fonte de radiação é o componente que acelera elétrons utilizando campos magnéticos intensos de forma a fazê-los produzir radiação eletromagnética. Esse componente pode ser um dipolo magnético da rede magnética do anel de armazenamento ou um dispositivo de inserção: um wiggler ou um ondulador.

Já o front-end é o primeiro conjunto de componentes, ainda dentro da blindagem dos aceleradores, que separa a câmara de vácuo do anel de armazenamento do restante da linha de luz. A radiação síncrotron produzida pela fonte de radiação incide sobre o front-end, e é sua função principal limitar o leque de radiação síncrotron de acordo com a faixa de energia utilizada na linha de luz.

Ótica

Antes de chegar à amostra, a radiação síncrotron tem seu espectro eletromagnético “filtrado” de acordo com a técnica experimental utilizada. A parte óptica da linha de luz “molda” o feixe de luz para entregá-lo na forma requerida pelo experimento, através da colimação e focalização do feixe e seleção de energia. Esses componentes ficam abrigados em cabanas de proteção radiológica e passam por um controle preciso de temperatura, umidade e particulados.

Monocromadores: Este elemento filtra uma região de comprimentos de onda do espectro da fonte, e opera baseado no princípio de difração da radiação eletromagnética. Eles permitem a seleção do comprimento de onda desejado, seja ele característico da radiação infravermelha, ultravioleta ou raios X.

Espelhos: Ao longo de uma linha de luz são empregados elementos óticos que moldam geometricamente o feixe de luz síncrotron para as condições requeridas no experimento (como tamanho e divergência do foco).

Estação Experimental

A estação experimental é a seção da linha de luz onde as amostras são analisadas. Trata-se de um ambiente isolado, dotado de proteção radiológica e controle preciso de temperatura, umidade e particulados. É a parte mais dinâmica de uma linha de luz, pois a cada novo experimento são definidas condições específicas para o condicionamento das amostras (que podem estar em diferentes estados físicos) e para os sistemas de detecção, visando a observação de diferentes aspectos da interação da luz síncrotron com a matéria.

Sistemas de posicionamento e ambientes de amostras: Esses sistemas são usados para possibilitar o posicionamento das amostras frente ao feixe de luz, muitas vezes com resolução submicrométrica. Fazem parte desses sistemas, fornos e criostatos para condicionamento de temperatura, dispositivos para deformação ou aplicação de altas pressões e de campos elétricos e/ou magnéticos para experimentos em condições in situ ou até in operando.

Detectores: Esses dispositivos analisam de forma quantitativa o resultado da interação entre a Luz Síncrotron e os átomos do material em estudo, seja por difração, absorção ou fluorescência. Incluem os detectores de área do tipo CCD ou contadores de fótons; difratômetros para posicionamento de detectores; cintiladores de múltiplos canais, fotodiodos, câmaras de ionização, etc.

O conjunto de todos esses equipamentos permite uma descrição quantitativa dos tipos de átomos e de moléculas que constituem um dado material, seus estados químicos, sua organização espacial, suas propriedades magnéticas, etc.