Um instrumento de raios-X pioneiro para pesquisas de fronteira com raios-X de alto brilho está agora em operação no Laboratório Nacional de Argonne. O novo dispositivo utiliza uma tecnologia supercondutora exclusiva que acelera os elétrons em um caminho muito semelhante ao de uma montanha-russa.

O dispositivo de inserção (ID), chamado de Ondulador Supercondutor Helicoidal (HSCU), foi projetado na Advanced Photon Source (APS), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science no Laboratório Nacional de Argonne do DOE. O dispositivo tem três vantagens principais sobre outros tipos de IDs para a produção de raios X de alto brilho:(1) ele gera um campo magnético mais forte do que outros IDs; (2) permite que os pesquisadores selecionem uma única energia do feixe de raios-X sem usar nenhuma ótica de raios-X; e (3) produz um feixe de raios X com polarização circular. Argonne desenvolveu o ondulador helicoidal com US $ 2 milhões em financiamento do DOE Office of Science.

Tomados em conjunto, essas vantagens são empolgantes para os pesquisadores porque o dispositivo permite que eles coletem dados de forma mais rápida e limpa do que com outros dispositivos, uma vez que o HSCU não requer ótica extra para realizar experimentos.

Um ID típico é um conjunto de estruturas magnéticas periódicas poderosas que criam alto brilho, emissão de radiação síncrotron direcionada para a frente, forçando um feixe de partículas carregadas armazenadas (elétrons no APS) a realizar oscilações ou ondulações à medida que passam pelo dispositivo. O HSCU é o mais recente em uma série de duas décadas de IDs inovadores projetados e fornecidos por cientistas e engenheiros da Argonne para o APS e outras instalações de raios-X síncrotron do DOE.

Um ondulador supercondutor helicoidal é um dispositivo muito desafiador para integrar em um anel de armazenamento de elétrons operacional, como o da APS, porque apresenta fortes limitações no manuseio do feixe de elétrons no anel de armazenamento. Pode causar interrupções nas operações do anel e, portanto, na entrega de raios-X aos pesquisadores que aguardam. O engenhoso projeto mecânico e magnético da geometria da bobina HSCU desenvolvida por engenheiros e físicos APS a torna ininterrupta para a operação estável do anel de armazenamento APS. Os pesquisadores só sabem que o HSCU está lá por causa dos feixes de raios-X que ele fornece.

Efim Gluskin, um distinto membro da Argonne e ex-diretor da divisão APS que liderou o programa ondulador na APS desde o início, comparou o movimento do feixe de elétrons no HSCU ao movimento circular de uma montanha-russa em espiral, como o passeio X Flight no parque de diversões Six Flags Great America, perto de Chicago. À medida que os elétrons se espalham pelo campo magnético do dispositivo, eles geram a radiação polarizada circularmente.

Mas, para forçar os movimentos espirais dos elétrons, um ímã especial teve que ser construído com um forte campo magnético em espiral. Esse objetivo foi alcançado envolvendo fios supercondutores em torno de uma seção de ferro em forma de saca-rolhas. O resultado final é um eletroímã supercondutor de 1,1 metro de comprimento com muitos pólos magnéticos alternados em forma de espiral norte-sul; esses pólos magnéticos, quando o HSCU é energizado, são o que enviam os elétrons em seu caminho espiral.

O HSCU fornece aos pesquisadores um feixe de raios-X mais intenso que permite a aquisição de dados mais rápida do que onduladores convencionais, em escalas de tempo de um bilionésimo de segundo. E como onduladores convencionais, o novo tipo de ondulador pode permitir a pesquisa sobre uma série de fenômenos complexos, incluindo a evolução dinâmica do fluxo de fluido complexo e o magnetismo dos metais.

Ao operar onduladores convencionais, os cientistas devem usar um dispositivo extra equipado com componentes ópticos de raios-X chamados monocromadores para selecionar sua energia preferida de feixe de raios-X. Mas o HSCU fornece imediatamente feixe de raios-X monocromático diretamente do ondulador para a amostra que está sendo estudada sem a ajuda de um monocromador. Isso não só fornece um feixe mais intenso, mas também um feixe mais coerente (ou perfeito), uma vez que qualquer óptica terá pequenas imperfeições que podem introduzir distorções indesejadas no feixe de raios-X. E ainda por cima, a capacidade de produzir radiação polarizada circularmente é importante, uma vez que a luz circular é sensível às propriedades de um material, como magnetismo e quiralidade molecular - ou lateralidade - que a luz linear ou não polarizada não pode ver.

O novo ondulador começou a operar na linha de raios-X do setor 7-ID da APS em 19 de janeiro de 2018. Esta linha de luz, que é gerenciado pela Argonne X-ray Science Division, é dedicado a medições ultrarrápidas de materiais com resolução temporal. Os cientistas estão planejando usar o novo dispositivo para estudar a dinâmica da injeção de combustível; uma melhor compreensão desse processo pode levar a veículos motorizados mais eficientes em termos de combustível.

"Eles podem trazer esse feixe diretamente do ondulador e fazer um experimento de imagem padrão, como se você fosse fazer um raio-X em um consultório médico ou odontológico. Mas você pode fazer isso muito rápido aqui, "em intervalos de um bilionésimo de segundo, disse Jonathan Lang, diretor da Divisão de Ciência de Raios-X da APS.

Outra técnica que se beneficiará com o novo ondulador é a espectroscopia de correlação de fótons de raios-X. Essa técnica é o equivalente em raios-X a apontar um ponteiro laser contra uma parede; o ponto que ele gera parece brilhar, o resultado de variações de intensidade. "Isso é causado pela aspereza da parede, "Lang disse.

Se essa rugosidade mudasse milhões de vezes por segundo, os cientistas seriam capazes de detectar a mudança correspondente no padrão de interferência da parede usando espectroscopia de correlação de fótons de raios-X. O comprimento de onda único fornecido pelo novo ondulador permitirá que os experimentadores vejam como os materiais evoluem em escalas de tempo ainda mais rápidas do que eram possíveis antes. "Ao olhar para os raios-X e como eles se espalham e brilham, podemos dizer como as moléculas estão se movendo no material e em que escalas de tempo elas estão se movendo, "Lang disse.

O novo ondulador também realizará imagens de contraste de fase para destacar certos aspectos dos fenômenos em estudo, como o óleo diesel que é composto de vários elementos leves chamados hidrocarbonetos. A imagem de contraste de fase pode aumentar o contraste entre os hidrocarbonetos e o ar durante os experimentos, permitindo que os pesquisadores vejam estruturas que não são possíveis de observar usando imagens convencionais de raios-X, que exibe apenas variações na densidade. Por exemplo, As radiografias tiradas no consultório médico mostram os ossos mais claramente do que os tecidos moles, muito mais claros.

Gluskin espera que os novos onduladores supercondutores se tornem uma ferramenta comum para futuras fontes de luz e lasers de elétrons livres porque eles superam os onduladores de ímã permanente existentes no fornecimento de feixes de raios-X brilhantes para ampla faixa de energia. E o HSCU em particular abre a porta para a próxima geração de lasers de elétrons gratuitos mais compactos e econômicos.

A tecnologia do ondulador supercondutor também é essencial para a atualização do APS. A atualização equipará os pesquisadores com uma instalação de última geração para sondar com mais precisão a estrutura e função atômica e molecular, estender a liderança global dos EUA em ciência e pesquisa tecnológica de raios-X duros (comprimento de onda curto) nas próximas décadas.

"O ondulador supercondutor helicoidal nos permitirá experimentar algumas técnicas que queremos fazer na atualização, "Lang disse.