El reto del vacío en Sirius

Publicado em 28/08/2014
IOP Publishing, em 13/08/2014

 

La tecnología de punta en vacío que se está desarrollando en el nuevo sincrotrón Sirius de Brasil, generará rayos-X más estables y brillantes para el estudio de la materia a distancias y escalas de tiempo más cortas, describe Rafael Molena Seraphim.

Entretejido de cables de alta producción de titanio, circonio y vanadio siendo ensamblado dentro de las cámaras de vacío Sirius en la sección de recubrimiento NEG del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS). Estos cables se insertan en un solenoide donde un proceso de pulverización catódica en un magnetrón DC completa el proceso de recubrimiento. Cuando está completamente cargado, la sección puede recubrir simultáneamente seis cámaras de vacío de 3.2 metros de largo. (LNLS)

En las últimas décadas, las fuentes de radiación de sincrotrones han mejorado de manera significativa nuestro conocimiento sobre la estructura y propiedades de los materiales. Gracias a electrones que viajan alrededor de anillos de almacenamiento grandes, los sincrotrones producen radiación de alta luminosidad que va desde el infrarrojo hasta la región de rayos-X intensos (hard X-ray) en el espectro. Al canalizar esta radiación y enviarla por varias líneas de haces que se extienden tangencialmente desde el anillo de almacenamiento, se pueden realizar simultáneamente muchos experimentos distintos y únicos. Además de técnicas de cristalografía de rayos-X y métodos de visualización avanzadas, los sincrotrones permiten a los científicos unir la estructura a escala atómica de los materiales con sus propiedades macroscópicas, y cada vez son mejores caracterizando dispositivos funcionales como celdas solares en sus estados nativos.

Lo que impulsa a la ciencia de sincrotrones es la búsqueda por minimizar la emitancia de haces –una medida de la distribución lateral del haz de electrones. Esto da como resultado una salida de rayos-X más brillantes y colimados, lo que permite estudiar características más pequeñas y procesos más rápidos. Existen alrededor de 50 sincrotrones de distintos tamaños y capacidades operando en el mundo, y algunas de las mejores instalaciones están planeando mejoras basadas en anillos de almacenamiento con emitancia muy baja. El Advanced Photon Source (fuente avanzada de fotones) en los EU, la European Synchrotron Radiation Facility (instalación europea de radiación sincrotrón ESRF) en Francia, y el SPring-8 en Japón están planeando mejorías ambiciosas, mientras que otros laboratorios están construyendo máquinas completamente nuevas –a saber, el MAX IV en Suecia y Sirius en Brasil.

Sirius remplazará el sincrotrón de segunda generación de Brasil con una de las fuentes de rayos-X más brillantes en el planeta. Con una emitancia muy baja (de 0.28 nm rad), también será la primer fuente de radiación de tercera generación en Latinoamérica. El terreno para la nueva instalación está listo y se planea iniciar la construcción a finales de este año. Los equipos de ingeniería ya están profundamente involucrados en el diseño, los prototipos y el desarrollo e investigación de los subsistemas de la máquina. Se planea que comience a funcionar a mediados de 2016 y el primer haz para usuarios será a mediados de 2017, lo cual representa un itinerario ajustado.

Ambiente distribuido

Todo sincrotrón requiere de un ambiente de vacío ultra-alto para acelerar los electrones y extraer la radiación que estos producen. El componente más demandante de semejante instalación es el anillo de almacenamiento, que debe operar bajo presiones menores a 10-9mbar para minimizar la dispersión del haz-gas (beam-gas scattering) y otros efectos que reducen la vida del haz de electrones. Dado que la sección transversal de la cámara de vacío es muy pequeña comparada con su longitud (el anillo de almacenamiento de Sirius tendrá una circunferencia de 518 m y un diámetro de cámara de 24 mm), estas máquinas tienden a ser bombeadas de manera discreta o distribuida.

La mayoría de los anillos de almacenamiento modernos usan bombeo discreto, de modo que se instalan centenares de bombas intervalos de alrededor de 1.5 m o menos. Esto requiere cámaras de vacío con buena conductancia y suficiente espacio longitudinal en donde poner las bombas. Pero esta aproximación va completamente en contra del diseño de los sincrotrones de nueva generación, que para reducir la emitancia de haces, guían a los electrones más gradualmente alrededor del anillo. Técnicamente, Sirius está basado en un diseño de acrómato de doblez múltiple (multi-bend achromat) que involucra muchos imanes de apertura pequeña y deja poco espacio para otros componentes. En total, el anillo de almacenamiento estará compuesto por 20 “células de cinco dobleces” (five-bend cells) y 20 secciones rectas.

El bombeo distribuido basado en la tecnología de absorbentes no evaporables (NEG) ofrece una opción más efectiva para una “retícula” tan compacta. Los recubrimientos NEG, desarrollados por el laboratorio de física de partículas CERN, están basados en películas finas que cubren las superficies internas de las cámaras de vacío y tienen afinidad química con las moléculas de gas. El CERN ha usado bastante esta tecnología en los tubos del haz del Gran Colisionador de Hadrones, que requiere condiciones de vacío extremos. Hoy, los recubrimientos NEG son una tecnología industrial comprobada que se usa en muchas otras aplicaciones. El primer sincrotrón que usó recubrimientos NEG de manera considerable fue la fuente de radiación nacional Soleil en Francia, pues el 56% de la máquina utiliza dicha tecnología. Sirius y MAX IV serán los primeros sincrotrones de fuentes de radiación que basarán el bombeo de vacío del anillo de almacenamiento principalmente en recubrimientos NEG, mismos que cubrirán más del 95% de las cámaras de vacío.

El reto Sirius

La retícula tan compacta del anillo de almacenamiento de Sirius deja muy poco espacio para componentes, y por lo tanto requiere cámaras de vacío muy estrechas, que son más difíciles de bombear. Otro reto es que las cámaras de vacío y los componentes deben proporcionar un camino eléctrico continuo para minimizar la impedancia de la máquina, misma que puede afectar la estabilidad del haz al introducir campos-estela electromagnéticos (electromagnetic wakefields). Los materiales más comunes usados en las fuentes de radiación de tercera generación son el acero inoxidable y el aluminio, pero hemos escogido construir la cámara de vacío del Sirius con cobre de plata libre de oxígeno (oxigen-free silver OFS copper). La conductividad eléctrica aumentada de este material minimiza la impedancia de la máquina, mientras que su conductividad termal mejorada hace que absorba mejor la radiación que no es utilizada por el sincrotrón. El cobre OFS tiene una temperatura de recocido más alta, lo cual es conveniente para los recubrimientos NEG por que las cámaras de vacío necesitan calentarse a una temperatura de al menos 200° C para que se active la cobertura. La mayoría de las cámaras de vacío del anillo de almacenamiento tendrán una sección transversal circular con un diámetro interior de 24 mm y una pared con 1 mm de grosor.

Dado que las cámaras también tendrán que absorber la radiación que no sea utilizada por el sincrotrón, su lado exterior tendrá tubos de cobre muy estrechos. Pero una retícula tan compacta en la máquina conlleva a que otras secciones del anillo de almacenamiento (especialmente donde desembocan los rayos-X para viajar hacia abajo a través de haces y hacia objetivos experimentales) necesiten cámaras más complejas. Esto hace del recubrimiento NEG una tarea extremadamente complicada. Sirius tendrá alrededor de 450 cámaras en total, e incluso la sección transversal circular de las cámaras dentro de los imanes multipolares y de doblez (en donde no hay necesidad para extraer radiación para las líneas de haces) no tienen un proceso de manufactura simple.

Para asegurarse de que el cobre no se recueza y se distorsione, se necesitarán tres procesos de unión para hacer cada una de las cámaras. Se usará soldadura de endurecimiento al vacío para unir adaptadores de cobre cortos a las bridas de vacío de acero inoxidable, y se usará gas inerte de tungsteno (tungsten inert gas, TIG) para soldar estos componentes a las cámaras de vacío de cobre. Una estación robotizada de soldado TIG nos da control preciso y es adecuada para geometrías complejas, pero ni el endurecimiento al vacío ni la soldadura TIG son adecuadas para unir los tubos enfriadores de cobre a las cámaras de vacío debido al potencial para recocido o distorsión respectivamente. Aquí se está desarrollando una soldadura al vacío, a una temperatura de 330° C, para producir uniones para contacto térmico.

Los electrones circularan, dentro de la cámara de vacío de Sirius mientras se emite radiación de sincrotrón, en un filamento que se teje a través de un arreglo de imanes altamente compactos y otros componentes (en gris) y necesita formas de cámaras complejas y más de 450 secciones individuales. (LNLS)

Recubrimientos NEG

Dado que todas las cámaras de vacío de Sirius tendrán conductancia de vacío pequeña debido a su sección transversal estrecha, los recubrimientos NEG son primordiales. El laboratorio anfitrión del Sirius, el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), ha firmado un acuerdo de licencia con el CERN para usar la tecnología de recubrimientos y además tiene su propia estación de recubrimientos para producir las cámaras de vacío de Sirius. Construida el año pasado por los equipos de ingeniería del LNLS por un costo de 300,000 reales (132,000 dólares), este es uno de los pocos lugares en el mundo donde se pueden producir los recubrimientos NEG de acuerdo a los estándares determinados por CERN –y con la capacidad de recubrir cámaras de vacío de hasta 3.2 m de largo y 450 mm de diámetro (ver imagen superior).

Para asegurarse de que los recubrimientos NEG tienen buena adhesión y propiedades de bombero, las superficies de las cámaras de vacío deben estar completamente libres de contaminantes. Por lo tanto desarrollamos un proceso de limpieza especial, basado en un sistema de recirculación donde sólo las superficies internas de las cámaras de vacío están expuestas a soluciones corrosivas, que también reduce la exposición de los trabajadores a substancias dañinas. Aunque los recubrimientos NEG para las cámaras de vacío circulares simples están en las últimas etapas de diseño, el procedimiento de recubrimiento para las cámaras de vacío complejas aún está en desarrollo.

Después del proceso de recubrimiento NEG, las cámaras de vacío se llenarán con nitrógeno y se almacenarán en lotes de acuerdo a su posición de ensamblaje en el anillo de almacenamiento. Dado que los recubrimientos deben activarse calentándolos in situ (con un procedimiento llamado horneado o bake-out), Sirius requiere muchas fraguas para manejar la expansión de la cámara y esto puede ocasionar una mayor impedancia en la máquina. Las cintas de calentamiento envueltas alrededor de las cámaras para calentarlas también deben ser muy delgadas para aquellas cámaras dentro de los imanes multipolares y dipolares. Por esa razón hemos desarrollado, en conjunto con la compañía brasileña EXA-M Instrumentação do Nordeste, una cinta calentadora delgada de polimida (polymide) a la medida. Éste es uno de los primeros ejemplos exitosos de la sociedad entre el LNLS y las compañías brasileñas para construir el Sirius.

Ambición global

Se alienta a que más firmas se involucren en Sirius, y las colaboraciones entre LNLS y otros laboratorios están en progreso. Una involucra al CERN, donde hay un interés mutuo entre nuestros equipos de vacío al estudiar el comportamiento de las superficies expuestas a la radiación de sincrotrón. Estos estudios nos permitirán entender mejor las cámaras de vacío de Sirius, y presentan una oportunidad para que el CERN entienda mejor las nuevas tecnologías de superficie para las cámaras del LHC (Gran Colisionador de Hadrones).

Pronto Sirius será uno de los sincrotrones más brillantes en el mundo, abriendo nuevas fronteras para investigación en ciencia de materiales, y también sirviendo como peldaño para un anillo de almacenamiento de difracción limitada –también conocido el sincrotrón final. El diseño está llevando la tecnología en sincrotrones hasta el límite; especialmente en lo que respecta a los distintos conceptos únicos que se han propuesto para el sistema de vacío. Todas las cámaras de vacío y sus componentes se deben diseñar y manufacturar de acuerdo a requerimientos específicos, no sólo en términos de las especificaciones del sistema de vacío, sino también para maximizar el desempeño científico de Sirius.

Aún hay muchos retos que superar con el sistema de vacío de Sirius, como la manufactura y el recubrimiento NEG de las cámaras con formas complejas. Pero una vez que esté operando, Sirius proporcionará investigación desde Brasil y el resto de Latinoamérica con la oportunidad de desarrollar ciencia de primer orden mundial en muchos campos y pondrá a las naciones de esta región en el mapa científico.

Rafael Molena Seraphim es el líder del grupo de vacío en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y el Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) en São Paulo, Brasil

Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Email this to someone