Pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma maneira menos cara e mais eficiente de controlar os feixes de raios-X usados ​​para estudar os detalhes intrincados das baterias, células solares, proteínas e todos os tipos de materiais. Os novos dispositivos de modelagem de feixe, inventado pelo engenheiro mecânico de Brookhaven Sushil Sharma, pode ser feito de uma única peça de cobre, o que reduz drasticamente o tempo e a complexidade de sua construção - e seu custo. Não é de admirar que as fontes de luz de raios-x em todo o mundo, incluindo Fonte de Luz Síncrotron Nacional II do Laboratório Brookhaven (NSLS-II), estão começando a escolher os novos designs em vez de seus predecessores mais complexos e caros.

Fontes de luz síncrotron como NSLS-II, um DOE Office of Science User Facility, produzem feixes de raios-x muito poderosos ao balançar o caminho dos elétrons que passam por um anel circular a 99,99% da velocidade da luz. As oscilações fazem com que os elétrons emitam raios-x, que são canalizados em linhas de luz para permitir que os cientistas estudem coisas que não podemos ver a olho nu - desde células biológicas até átomos individuais. Quando o NSLS-II estiver totalmente construído, terá mais de sessenta linhas de luz fazendo pesquisas sobre diversos tópicos, de proteínas humanas à fotossíntese artificial, baterias avançadas, e partículas de poeira interplanetárias.

"Acho empolgante trabalhar em uma instalação onde estão acontecendo pesquisas que podem mudar a vida das pessoas no futuro, "disse Sharma.

Os feixes de raios-x que NSLS-II produz, Contudo, são muito poderosos e devem ser bem controlados para fornecer a intensidade certa para cada linha de luz. Numerosos "dispositivos de interceptação de feixe" assumem esse papel, cada um realizando um trabalho ligeiramente diferente:dividir o feixe, diminuindo o tamanho do feixe, ou protegendo os componentes sensíveis ao calor dos raios-x.

Convencionalmente, engenheiros construíram todos esses dispositivos usando várias peças - uma parte intermediária feita de liga de cobre, e peças finais de aço inoxidável que formam uma vedação a vácuo com a linha de luz. Infelizmente, este projeto requer muito tempo, processos de alta temperatura para colocar todas as peças juntas, e uma liga de cobre cara que pode suportar o calor da produção. De acordo com Sharma, leva de seis a nove meses para obter a liga e fazer esses dispositivos.

"Fazíamos assim há 25 anos, mas todo o processo era demorado e não muito confiável. Foi um problema desafiador para as instalações de fonte de luz, "disse ele." Comecei a pensar - por que não fazemos a peça inteira com um único material? Demorou algum esforço concentrado em design e teste, mas este é o resultado. "

Com a ajuda dos engenheiros do NSLS-II Christopher Amundsen, Frank DePaola, Lewis Doom, Muhammad Hussain, e Frank Lincoln no desenvolvimento e teste de novos dispositivos, A visão de Sharma ganhou vida. O novo design elimina as peças finais de aço inoxidável - em vez disso, o próprio cobre é moldado para fazer uma vedação a vácuo com a linha de luz. Como resultado, os dispositivos são feitos de uma única peça de cobre, eliminando o demorado, processamento de alta temperatura e a necessidade de um cobre resistente ao calor patenteado. No lugar do material caro, o novo design usa uma liga de cobre amplamente disponível, vendida a um quarto do custo. Geral, O design de Sharma custa metade do preço dos dispositivos convencionais, que variou de $ 5, 000 a $ 25, 000 cada.

O design de uma peça também reduz significativamente o tempo de produção. Em 2016, isso foi posto à prova no Laboratório de Brookhaven, quando os dispositivos convencionais que haviam sido encomendados não chegaram devido a problemas de fabricação. Precisando de uma substituição rápida para fazer a linha de luz funcionar, o Laboratório fez os dispositivos em uma oficina mecânica local usando o novo design de Sharma. Levaram apenas dez dias para produzir três, ao passo que mesmo a primeira etapa de obtenção da liga de cobre resistente ao calor para um dispositivo convencional poderia ter levado meses.

Uma fonte de luz síncrotron do tamanho do NSLS-II precisa de cerca de 1, 000 desses dispositivos de interceptação de feixe, portanto, este novo design pode economizar tempo considerável para as fontes de luz, dinheiro, e esforço. A European Synchrotron Radiation Facility - uma fonte de luz semelhante em tamanho ao NSLS-II - já comissionou quatrocentos dispositivos usando o projeto de Sharma.

Até aqui, O NSLS-II incorporou quarenta dos novos dispositivos em suas linhas de luz. E, depois de um ano de operação aqui no Brookhaven Lab, disse Sharma, "os dispositivos ainda estão fazendo seu trabalho perfeitamente."