IOP Publishing, em 13\/08\/2014<\/p>\n
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La tecnolog\u00eda de punta en vac\u00edo que se est\u00e1 desarrollando en el nuevo sincrotr\u00f3n Sirius de Brasil, generar\u00e1 rayos-X m\u00e1s estables y brillantes para el estudio de la materia a distancias y escalas de tiempo m\u00e1s cortas, describe Rafael Molena Seraphim.<\/p>\n
Entretejido de cables de alta producci\u00f3n de titanio, circonio y vanadio siendo ensamblado dentro de las c\u00e1maras de vac\u00edo Sirius en la secci\u00f3n de recubrimiento NEG del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotr\u00f3n (LNLS). Estos cables se insertan en un solenoide donde un proceso de pulverizaci\u00f3n cat\u00f3dica en un magnetr\u00f3n DC completa el proceso de recubrimiento. Cuando est\u00e1 completamente cargado, la secci\u00f3n puede recubrir simult\u00e1neamente seis c\u00e1maras de vac\u00edo de 3.2 metros de largo. (LNLS<\/em>)<\/p>\n En las \u00faltimas d\u00e9cadas, las fuentes de radiaci\u00f3n 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 radiaci\u00f3n de alta luminosidad que va desde el infrarrojo hasta la regi\u00f3n de rayos-X intensos (hard X-ray) en el espectro. Al canalizar esta radiaci\u00f3n y enviarla por varias l\u00edneas de haces que se extienden tangencialmente desde el anillo de almacenamiento, se pueden realizar simult\u00e1neamente muchos experimentos distintos y \u00fanicos. Adem\u00e1s de t\u00e9cnicas de cristalograf\u00eda de rayos-X y m\u00e9todos de visualizaci\u00f3n avanzadas, los sincrotrones permiten a los cient\u00edficos unir la estructura a escala at\u00f3mica de los materiales con sus propiedades macrosc\u00f3picas, y cada vez son mejores caracterizando dispositivos funcionales como celdas solares en sus estados nativos.<\/p>\n Lo que impulsa a la ciencia de sincrotrones es la b\u00fasqueda por minimizar la emitancia de haces \u2013una medida de la distribuci\u00f3n lateral del haz de electrones. Esto da como resultado una salida de rayos-X m\u00e1s brillantes y colimados, lo que permite estudiar caracter\u00edsticas m\u00e1s peque\u00f1as y procesos m\u00e1s r\u00e1pidos. Existen alrededor de 50 sincrotrones de distintos tama\u00f1os y capacidades operando en el mundo, y algunas de las mejores instalaciones est\u00e1n 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 (instalaci\u00f3n europea de radiaci\u00f3n sincrotr\u00f3n ESRF) en Francia, y el SPring-8 en Jap\u00f3n est\u00e1n planeando mejor\u00edas ambiciosas, mientras que otros laboratorios est\u00e1n construyendo m\u00e1quinas completamente nuevas \u2013a saber, el MAX IV en Suecia y Sirius en Brasil.<\/p>\n Sirius remplazar\u00e1 el sincrotr\u00f3n de segunda generaci\u00f3n de Brasil con una de las fuentes de rayos-X m\u00e1s brillantes en el planeta. Con una emitancia muy baja (de 0.28 nm rad), tambi\u00e9n ser\u00e1 la primer fuente de radiaci\u00f3n de tercera generaci\u00f3n en Latinoam\u00e9rica. El terreno para la nueva instalaci\u00f3n est\u00e1 listo y se planea iniciar la construcci\u00f3n a finales de este a\u00f1o. Los equipos de ingenier\u00eda ya est\u00e1n profundamente involucrados en el dise\u00f1o, los prototipos y el desarrollo e investigaci\u00f3n de los subsistemas de la m\u00e1quina. Se planea que comience a funcionar a mediados de 2016 y el primer haz para usuarios ser\u00e1 a mediados de 2017, lo cual representa un itinerario ajustado.<\/p>\n Ambiente distribuido<\/strong><\/p>\n Todo sincrotr\u00f3n requiere de un ambiente de vac\u00edo ultra-alto para acelerar los electrones y extraer la radiaci\u00f3n que estos producen. El componente m\u00e1s demandante de semejante instalaci\u00f3n es el anillo de almacenamiento, que debe operar bajo presiones menores a 10-9<\/sup>mbar para minimizar la dispersi\u00f3n del haz-gas (beam-gas scattering) y otros efectos que reducen la vida del haz de electrones. Dado que la secci\u00f3n transversal de la c\u00e1mara de vac\u00edo es muy peque\u00f1a comparada con su longitud (el anillo de almacenamiento de Sirius tendr\u00e1 una circunferencia de 518 m y un di\u00e1metro de c\u00e1mara de 24 mm), estas m\u00e1quinas tienden a ser bombeadas de manera discreta o distribuida.<\/p>\n La mayor\u00eda 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 c\u00e1maras de vac\u00edo con buena conductancia y suficiente espacio longitudinal en donde poner las bombas. Pero esta aproximaci\u00f3n va completamente en contra del dise\u00f1o de los sincrotrones de nueva generaci\u00f3n, que para reducir la emitancia de haces, gu\u00edan a los electrones m\u00e1s gradualmente alrededor del anillo. T\u00e9cnicamente, Sirius est\u00e1 basado en un dise\u00f1o de acr\u00f3mato de doblez m\u00faltiple (multi-bend achromat) que involucra muchos imanes de apertura peque\u00f1a y deja poco espacio para otros componentes. En total, el anillo de almacenamiento estar\u00e1 compuesto por 20 \u201cc\u00e9lulas de cinco dobleces\u201d (five-bend cells) y 20 secciones rectas.<\/p>\n El bombeo distribuido basado en la tecnolog\u00eda de absorbentes no evaporables (NEG) ofrece una opci\u00f3n m\u00e1s efectiva para una \u201cret\u00edcula\u201d tan compacta. Los recubrimientos NEG, desarrollados por el laboratorio de f\u00edsica de part\u00edculas CERN, est\u00e1n basados en pel\u00edculas finas que cubren las superficies internas de las c\u00e1maras de vac\u00edo y tienen afinidad qu\u00edmica con las mol\u00e9culas de gas. El CERN ha usado bastante esta tecnolog\u00eda en los tubos del haz del Gran Colisionador de Hadrones, que requiere condiciones de vac\u00edo extremos. Hoy, los recubrimientos NEG son una tecnolog\u00eda industrial comprobada que se usa en muchas otras aplicaciones. El primer sincrotr\u00f3n que us\u00f3 recubrimientos NEG de manera considerable fue la fuente de radiaci\u00f3n nacional Soleil en Francia, pues el 56% de la m\u00e1quina utiliza dicha tecnolog\u00eda. Sirius y MAX IV ser\u00e1n los primeros sincrotrones de fuentes de radiaci\u00f3n que basar\u00e1n el bombeo de vac\u00edo del anillo de almacenamiento principalmente en recubrimientos NEG, mismos que cubrir\u00e1n m\u00e1s del 95% de las c\u00e1maras de vac\u00edo.<\/p>\n El reto Sirius<\/strong><\/p>\n La ret\u00edcula tan compacta del anillo de almacenamiento de Sirius deja muy poco espacio para componentes, y por lo tanto requiere c\u00e1maras de vac\u00edo muy estrechas, que son m\u00e1s dif\u00edciles de bombear. Otro reto es que las c\u00e1maras de vac\u00edo y los componentes deben proporcionar un camino el\u00e9ctrico continuo para minimizar la impedancia de la m\u00e1quina, misma que puede afectar la estabilidad del haz al introducir campos-estela electromagn\u00e9ticos (electromagnetic wakefields). Los materiales m\u00e1s comunes usados en las fuentes de radiaci\u00f3n de tercera generaci\u00f3n son el acero inoxidable y el aluminio, pero hemos escogido construir la c\u00e1mara de vac\u00edo del Sirius con cobre de plata libre de ox\u00edgeno (oxigen-free silver OFS copper). La conductividad el\u00e9ctrica aumentada de este material minimiza la impedancia de la m\u00e1quina, mientras que su conductividad termal mejorada hace que absorba mejor la radiaci\u00f3n que no es utilizada por el sincrotr\u00f3n. El cobre OFS tiene una temperatura de recocido m\u00e1s alta, lo cual es conveniente para los recubrimientos NEG por que las c\u00e1maras de vac\u00edo necesitan calentarse a una temperatura de al menos 200\u00b0 C para que se active la cobertura. La mayor\u00eda de las c\u00e1maras de vac\u00edo del anillo de almacenamiento tendr\u00e1n una secci\u00f3n transversal circular con un di\u00e1metro interior de 24 mm y una pared con 1 mm de grosor.<\/p>\n Dado que las c\u00e1maras tambi\u00e9n tendr\u00e1n que absorber la radiaci\u00f3n que no sea utilizada por el sincrotr\u00f3n, su lado exterior tendr\u00e1 tubos de cobre muy estrechos. Pero una ret\u00edcula tan compacta en la m\u00e1quina conlleva a que otras secciones del anillo de almacenamiento (especialmente donde desembocan los rayos-X para viajar hacia abajo a trav\u00e9s de haces y hacia objetivos experimentales) necesiten c\u00e1maras m\u00e1s complejas. Esto hace del recubrimiento NEG una tarea extremadamente complicada. Sirius tendr\u00e1 alrededor de 450 c\u00e1maras en total, e incluso la secci\u00f3n transversal circular de las c\u00e1maras dentro de los imanes multipolares y de doblez (en donde no hay necesidad para extraer radiaci\u00f3n para las l\u00edneas de haces) no tienen un proceso de manufactura simple.<\/p>\n Para asegurarse de que el cobre no se recueza y se distorsione, se necesitar\u00e1n tres procesos de uni\u00f3n para hacer cada una de las c\u00e1maras. Se usar\u00e1 soldadura de endurecimiento al vac\u00edo para unir adaptadores de cobre cortos a las bridas de vac\u00edo de acero inoxidable, y se usar\u00e1 gas inerte de tungsteno (tungsten inert gas, TIG) para soldar estos componentes a las c\u00e1maras de vac\u00edo de cobre. Una estaci\u00f3n robotizada de soldado TIG nos da control preciso y es adecuada para geometr\u00edas complejas, pero ni el endurecimiento al vac\u00edo ni la soldadura TIG son adecuadas para unir los tubos enfriadores de cobre a las c\u00e1maras de vac\u00edo debido al potencial para recocido o distorsi\u00f3n respectivamente. Aqu\u00ed se est\u00e1 desarrollando una soldadura al vac\u00edo, a una temperatura de 330\u00b0 C, para producir uniones para contacto t\u00e9rmico.<\/p>\n Los electrones circularan, dentro de la c\u00e1mara de vac\u00edo de Sirius mientras se emite radiaci\u00f3n de sincrotr\u00f3n, en un filamento que se teje a trav\u00e9s de un arreglo de imanes altamente compactos y otros componentes (en gris) y necesita formas de c\u00e1maras complejas y m\u00e1s de 450 secciones individuales.\u00a0(LNLS)<\/em><\/p>\n Recubrimientos NEG<\/strong><\/p>\n Dado que todas las c\u00e1maras de vac\u00edo de Sirius tendr\u00e1n conductancia de vac\u00edo peque\u00f1a debido a su secci\u00f3n transversal estrecha, los recubrimientos NEG son primordiales. El laboratorio anfitri\u00f3n del Sirius, el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotr\u00f3n (LNLS), ha firmado un acuerdo de licencia con el CERN para usar la tecnolog\u00eda de recubrimientos y adem\u00e1s tiene su propia estaci\u00f3n de recubrimientos para producir las c\u00e1maras de vac\u00edo de Sirius. Construida el a\u00f1o pasado por los equipos de ingenier\u00eda del LNLS por un costo de 300,000 reales (132,000 d\u00f3lares), este es uno de los pocos lugares en el mundo donde se pueden producir los recubrimientos NEG de acuerdo a los est\u00e1ndares determinados por CERN \u2013y con la capacidad de recubrir c\u00e1maras de vac\u00edo de hasta 3.2 m de largo y 450 mm de di\u00e1metro (ver imagen superior).<\/p>\n Para asegurarse de que los recubrimientos NEG tienen buena adhesi\u00f3n y propiedades de bombero, las superficies de las c\u00e1maras de vac\u00edo deben estar completamente libres de contaminantes. Por lo tanto desarrollamos un proceso de limpieza especial, basado en un sistema de recirculaci\u00f3n donde s\u00f3lo las superficies internas de las c\u00e1maras de vac\u00edo est\u00e1n expuestas a soluciones corrosivas, que tambi\u00e9n reduce la exposici\u00f3n de los trabajadores a substancias da\u00f1inas. Aunque los recubrimientos NEG para las c\u00e1maras de vac\u00edo circulares simples est\u00e1n en las \u00faltimas etapas de dise\u00f1o, el procedimiento de recubrimiento para las c\u00e1maras de vac\u00edo complejas a\u00fan est\u00e1 en desarrollo.<\/p>\n Despu\u00e9s del proceso de recubrimiento NEG, las c\u00e1maras de vac\u00edo se llenar\u00e1n con nitr\u00f3geno y se almacenar\u00e1n en lotes de acuerdo a su posici\u00f3n de ensamblaje en el anillo de almacenamiento. Dado que los recubrimientos deben activarse calent\u00e1ndolos\u00a0in situ<\/em>\u00a0(con un procedimiento llamado horneado o\u00a0bake-out<\/em>), Sirius requiere muchas fraguas para manejar la expansi\u00f3n de la c\u00e1mara y esto puede ocasionar una mayor impedancia en la m\u00e1quina. Las cintas de calentamiento envueltas alrededor de las c\u00e1maras para calentarlas tambi\u00e9n deben ser muy delgadas para aquellas c\u00e1maras dentro de los imanes multipolares y dipolares. Por esa raz\u00f3n hemos desarrollado, en conjunto con la compa\u00f1\u00eda brasile\u00f1a EXA-M Instrumenta\u00e7\u00e3o do Nordeste, una cinta calentadora delgada de polimida (polymide) a la medida. \u00c9ste es uno de los primeros ejemplos exitosos de la sociedad entre el LNLS y las compa\u00f1\u00edas brasile\u00f1as para construir el Sirius.<\/p>\n Ambici\u00f3n global<\/strong><\/p>\n Se alienta a que m\u00e1s firmas se involucren en Sirius, y las colaboraciones entre LNLS y otros laboratorios est\u00e1n en progreso. Una involucra al CERN, donde hay un inter\u00e9s mutuo entre nuestros equipos de vac\u00edo al estudiar el comportamiento de las superficies expuestas a la radiaci\u00f3n de sincrotr\u00f3n. Estos estudios nos permitir\u00e1n entender mejor las c\u00e1maras de vac\u00edo de Sirius, y presentan una oportunidad para que el CERN entienda mejor las nuevas tecnolog\u00edas de superficie para las c\u00e1maras del LHC (Gran Colisionador de Hadrones).<\/p>\n Pronto Sirius ser\u00e1 uno de los sincrotrones m\u00e1s brillantes en el mundo, abriendo nuevas fronteras para investigaci\u00f3n en ciencia de materiales, y tambi\u00e9n sirviendo como pelda\u00f1o para un anillo de almacenamiento de difracci\u00f3n limitada \u2013tambi\u00e9n conocido el sincrotr\u00f3n final. El dise\u00f1o est\u00e1 llevando la tecnolog\u00eda en sincrotrones hasta el l\u00edmite; especialmente en lo que respecta a los distintos conceptos \u00fanicos que se han propuesto para el sistema de vac\u00edo. Todas las c\u00e1maras de vac\u00edo y sus componentes se deben dise\u00f1ar y manufacturar de acuerdo a requerimientos espec\u00edficos, no s\u00f3lo en t\u00e9rminos de las especificaciones del sistema de vac\u00edo, sino tambi\u00e9n para maximizar el desempe\u00f1o cient\u00edfico de Sirius.<\/p>\n A\u00fan hay muchos retos que superar con el sistema de vac\u00edo de Sirius, como la manufactura y el recubrimiento NEG de las c\u00e1maras con formas complejas. Pero una vez que est\u00e9 operando, Sirius proporcionar\u00e1 investigaci\u00f3n desde Brasil y el resto de Latinoam\u00e9rica con la oportunidad de desarrollar ciencia de primer orden mundial en muchos campos y pondr\u00e1 a las naciones de esta regi\u00f3n en el mapa cient\u00edfico.<\/p>\n Rafael Molena Seraphim es el l\u00edder del grupo de vac\u00edo en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotr\u00f3n (LNLS) y el Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) en S\u00e3o Paulo, Brasil<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" IOP Publishing, em 13\/08\/2014 La tecnolog\u00eda de punta en vac\u00edo que se est\u00e1 desarrollando en el nuevo sincrotr\u00f3n Sirius de Brasil, generar\u00e1 rayos-X m\u00e1s estables y brillantes para el…<\/p>\n","protected":false},"author":17,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":"","_links_to":"","_links_to_target":""},"categories":[1163,12],"tags":[],"class_list":["post-8490","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-clipping-cnpem","category-clipping-lnls","category-1163","category-12","description-off"],"acf":[],"yoast_head":"\n