Linha de luz Ipê ganha novo ondulador e amplia capacidades para experimentos de RIXS

Atualização aumenta em até sete vezes o fluxo de fótons e permite explorar fenômenos antes inacessíveis com a técnica de RIXS

A linha de luz Ipê, do Sirius, passa por uma atualização importante com a substituição de seu ondulador — o componente responsável por gerar a radiação síncrotron utilizada nos experimentos. A mudança representa um avanço estratégico para pesquisas que utilizam a técnica de espalhamento inelástico ressonante de raios X (RIXS, na sigla em inglês), uma das mais exigentes em termos de brilho e controle da fonte.

Um novo ondulador para uma nova geração de experimentos

A nova fonte da linha Ipê é um ondulador elíptico (EPU) com 3,4 metros de comprimento, substituindo o dispositivo anterior de 1 metro. O aumento no comprimento efetivo do ondulador resulta em ganho significativo de brilho e no fluxo de fótons na amostra, além de permitir o controle completo da polarização da radiação incidente — linear horizontal, vertical e circular. Esses avanços elevam o desempenho dos experimentos de RIXS a um novo patamar. 

O impacto mais imediato está no aumento do fluxo de fótons. A intensidade da radiação na amostra pode ser até sete vezes maior — um avanço particularmente relevante para experimentos de RIXS, nos quais o sinal é intrinsecamente fraco. Esse ganho não se traduz apenas em aquisições mais rápidas, mas em uma mudança no regime experimental, viabilizando varreduras sistemáticas em energia, ângulo, momento, temperatura e campos externos dentro de tempos experimentais realistas. “O número de fótons por segundo chegando na amostra aumenta significativamente — isso muda completamente o tipo de experimento que conseguimos fazer”, explica Tulio Costa Rizuti da Rocha, coordenador da linha Ipê. 

Esse ganho de intensidade também tem impacto na resolução espectral. A maior disponibilidade de fótons permite operar com largura de banda incidente mais estreita, mantendo estatística adequada, permitindo investigar excitações em escalas de energia cada vez menores. Isso abre caminho para o estudo de fenômenos de baixa energia, como excitações coletivas e flutuações quânticas, que antes estavam fora do alcance experimental da linha. 

Além disso, o controle da polarização introduz seletividade nos processos de excitação. A dependência do sinal de RIXS com o estado de polarização da luz incidente e a geometria de espalhamento permite acessar a simetria das excitações por meio das regras de seleção. Na prática, isso viabiliza experimentos de dicroísmo (linear e circular) e a separação de diferentes canais de espalhamento, como contribuições magnéticas, orbitais e de carga, ampliando de forma decisiva a capacidade de interpretar e decompor os espectros de RIXS. 

Em conjunto, esses avanços redefinem o regime experimental da linha Ipê, combinando alto fluxo, alta resolução e controle de polarização aos experimentos de RIXS. Isso permite não apenas medidas mais eficientes, mas o acesso sistemático a excitações de baixa energia, canais de espalhamento fracos e efeitos dependentes de simetria, abrindo novas possibilidades, por exemplo, no estudo de fenômenos emergentes em materiais quânticos. 

Colaboração internacional com o Paul Scherrer Institute (PSI)

O novo ondulador não foi construído do zero: ele veio do Paul Scherrer Institute, onde operava no síncrotron Swiss Light Source (SLS). A incorporação deste equipamento ao Sirius foi viabilizada por uma colaboração internacional que envolveu tanto aspectos científicos quanto estratégicos. 

Durante o recente upgrade da rede magnética do SLS, o laboratório suiço precisou reorganizar o espaço interno do acelerador. A nova configuração da máquina, mais compacta e com maior densidade de componentes, impôs restrições físicas que dificultaram a operação de onduladores mais longos e volumosos. Como resultado, alguns dispositivos antes utilizados deverão ser substituídos por versões mais compactas, abrindo a oportunidade para reutilização destes complexos equipamentos. 

A aquisição do ondulador pelo CNPEM foi, portanto, uma solução eficiente sob múltiplos aspectos. Além de reduzir custos, a iniciativa fortaleceu a parceria com o PSI. Parte desse acordo envolve atividades científicas conjuntas durante o período de atualização de suas instalações. 

Desafios de instalação e próximos passos

A instalação do novo ondulador apresentou desafios técnicos relevantes. Com cerca de 3,4 metros de comprimento na parte magnética e pesando aproximadamente 17,5 toneladas, trata-se do maior dispositivo de inserção já instalado no Sirius. “Foi um dos equipamentos mais pesados que a gente já instalou no Sirius, e tivemos que aumentar a capacidade dos nossos equipamentos para movimentação e posicionamento dentro do túnel. O maior desafio é posicionar e alinhar essa carga com uma tolerância de dezenas de micrômetros”, destaca Sergio  Lordano , líder do grupo de Dispositivos de Inserção e Diagnóstico (IDS).

Além das dimensões do equipamento, a instalação exigiu uma série de cuidados relacionados ao sistema de vácuo do acelerador. A câmara de vácuo principal, adquirida junto ao ondulador do Swiss Light SOurce (SLS), possui um revestimento interno responsável por auxiliar na obtenção das condições de ultra-alto vácuo necessárias para a operação do Sirius. Antes da instalação, a câmara passou por testes e inspeções realizados pela equipe da Diretoria Adjunta de Tecnologia (DAT) para verificar a integridade e a eficiência desse revestimento. “Precisávamos garantir que a câmara pudesse ser instalada sem comprometer a qualidade do sistema de vácuo do anel de armazenamento”, explica Thiago Mendes da Rocha, gerente do grupo de Sistemas de Vácuo, Pressão e Criogenia (VPC). 

O alinhamento também foi um aspecto crítico do processo. A folga entre os magnetos do ondulador e a câmara de vácuo do acelerador é da ordem de centenas de micrômetros, o que exige um posicionamento extremamente preciso e torna a operação particularmente delicada. As tolerâncias de alinhamento, ainda mais rigorosas — na faixa das dezenas de micrômetros — são essenciais para evitar qualquer impacto no feixe de elétrons. “O monitoramento contínuo da folga durante a movimentação, utilizando lâminas calibradas e medições com o laser tracker, foi determinante para o sucesso da operação, permitindo ajustes finos e aumentando significativamente a confiabilidade do posicionamento final”, afirma Douglas Luis Passuelo, gerente do grupo de Metrologia (MET).

As grandes dimensões do ondulador trouxeram uma camada de complexidade extra para o trabalho realizado pelos grupos da Diretoria Adjunta de Tecnologia (DAT). ” Trata-se de um cenário em que são exigidas tolerâncias milésimas ao longo de extensões de centenas de metros, demandando elevado rigor técnico”, comenta Douglas. 

Com a instalação concluída, a linha entra agora em uma fase de comissionamento técnico e científico. Este processo inclui desde a validação do funcionamento do ondulador até o realinhamento completo dos elementos ópticos. Como a nova fonte altera significativamente o perfil do feixe, será necessário ajustar toda a linha para operar de forma adequada. 

A expectativa é que, após essa etapa, a Ipê retome o atendimento a usuários com capacidades ampliadas. Além de acelerar experimentos já existentes, a nova configuração permitirá explorar fenômenos antes inacessíveis, consolidando a linha como uma plataforma de ponta para estudos avançados com luz síncrotron.