SWLS: o magneto supercondutor projetado e construído no CNPEM

O Superconducting Wavelength Shifter será instalado no Sirius e gerará luz síncrotron para a futura linha de luz Sussuarana

As linhas de luz atualmente em operação no Sirius já permitem investigações que vão de proteínas e materiais avançados a fósseis e patrimônio arqueológico. Há, porém, áreas de pesquisa que exigem raios X mais energéticos, essenciais para estudar materiais densos ou elementos pesados. Para viabilizar esse tipo de experimento no país, o Sirius precisa de uma solução inédita no país.

O Superconducting Wavelength Shifter, ou simplesmente SWLS, é um imã supercondutor que será instalado no anel de armazenamento do Sirius. Ele criará um feixe de raios X extremamente energético, capaz de ultrapassar os 150 keV, e permitirá a implantação e operação da Sussuarana, uma nova linha de luz dedicada a estudos de ciência de materiais, metalurgia e aplicações de engenharia

É a primeira vez que o Brasil está projetando e fabricando um magneto supercondutor para um acelerador de 4ª geração. O desenvolvimento reúne engenheiros, físicos e técnicos da Diretoria Adjunta de Tecnologia (DAT) do CNPEM, e representa um marco na soberania tecnológica do país em um campo dominado por poucas nações.

Qual o propósito do SWLS?

O Sirius é um equipamento de grande porte capaz de produzir radiação eletromagnética de forma controlada, a chamada luz síncrotron. Essa radiação é usada para a investigação da composição e estrutura da matéria em suas mais variadas formas, com aplicações em praticamente todas as áreas do conhecimento. Para cumprir este propósito, os aceleradores do Sirius mantêm elétrons circulando em órbitas estáveis e viajando em velocidades relativísticas. E sempre que estes elétrons são defletidos por campos magnéticos e forçados a fazerem uma curva, eles emitem luz síncrotron.

Em algumas seções do anel, são instalados os chamados dispositivos de inserção, magnetos que produzem campos magnéticos intensos e altamente controlados para manipular a trajetória dos elétrons no acelerador de modo a gerar luz síncrotron de alta intensidade e características específicas de energia ou polarização.

O SWLS será um desses dispositivos, mas com uma característica única: ele usará bobinas supercondutoras resfriadas a temperaturas abaixo de 5 Kelvin (aproximadamente –268 ºC) para gerar um campo magnético superior a 6 Teslas, mais que duas vezes maior que os imãs mais fortes hoje em operação no Sirius. Esse campo tão intenso faz com que os elétrons emitam radiação muito mais energética e penetrante, ideal para estudar materiais muito densos, o que é especialmente interessante para áreas como a metalurgia.

Dispositivos de inserção com o SWLS não podem perturbar a qualidade do feixe de elétrons que circula no acelerador — eles precisam ser “transparentes” para o restante da máquina. Para isso, o SWLS precisa criar um campo magnético muito estreito e bem controlado, atuando em uma região delimitada.

Tecnologia supercondutora projetada no Brasil

O núcleo do SWLS é formado por três pares de polos magnéticos, cada um com bobinas feitas com fios de nióbio-titânio (NbTi), o mesmo material usado em componentes de grandes aceleradores como o Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider – LHC), na Suíça. O desenvolvimento das capacidades do CNPEM para o projeto e construção do magneto supercondutor se iniciou em 2021, em parceria com o Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), mediante um acordo de cooperação CNPEM/CERN firmado em 2020.

Materiais supercondutores são capazes de transportar corrente elétrica contínuas sem nenhuma perda — o que só acontece quando permanecem em temperaturas extremamente baixas. Para chegar a esse regime de operação, o magneto ficará dentro de um criostato e o resfriamento será feito por quatro cryocoolers — refrigeradores mecânicos capazes de remover calor continuamente e manter as bobinas frias enquanto os aceleradores estão em operação. Uma característica importante desse tipo de operação é a ausência de consumo de hélio líquido, o que reduz o custo de operação do dispositivo.

Manter um supercondutor estável não é uma tarefa simples. Se algum ponto do componente aquecer demais (passar de 6 Kelvin), o material perde a supercondutividade, ocasionando o chamado quench — uma transição súbita em que o material volta a se comportar como um condutor comum. Quando isso acontece, a corrente que antes fluía sem perdas começa a gerar calor rapidamente, podendo causar danos aos componentes. Para evitar isso, o SWLS conta com sistemas eletrônicos avançados capazes de detectar anomalias e desviar a energia elétrica para resistores especiais.

A fabricação das bobinas supercondutoras do SWLS foi realizada no próprio CNPEM, utilizando processos de engenharia de precisão comparáveis aos adotados nos principais laboratórios do mundo. O fio de nióbio-titânio é cuidadosamente enrolado em camadas, impregnado com resinas especiais e curado de modo a formar um bloco rígido e estável. Cada bobina é então testada em condições criogênicas para verificar seu desempenho antes da integração ao conjunto final. Este domínio de todo o processo, da concepção ao comissionamento dos componentes, consolida competências nacionais em tecnologias avançadas como criogenia, supercondutividade aplicada e instrumentação de alta sensibilidade.

O SWLS será instalado no Sirius para atender a linha de luz Sussuarana, prevista para operar na faixa de energias mais alta do complexo. A nova linha permitirá técnicas experimentais capazes de atravessar amostras espessas e estruturas metálicas complexas, ampliando o potencial analítico para pesquisas em metalurgia, engenharia estrutural, geociências, energia e materiais avançados. Com ele, pesquisadores brasileiros e internacionais terão acesso a um conjunto de capacidades até então indisponíveis na América Latina.