Para fornecer feixes de raios-X que são muito brilhantes e bem focados, uma equipe de Argonne teve que criar um novo sistema de espelhos, lentes e equipamentos para a fonte avançada de fótons atualizada.

No filme "Aladdin, "Robin Williams deu voz a um enorme gênio azul que vivia dentro de uma pequena lâmpada mágica. O personagem descreveu sua situação da seguinte maneira:" Poder cósmico fenomenal! É um espaço de vida pequenininho! "

De certa forma, esse é o desafio para a equipe que projeta o sistema óptico para a atualização da 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. Quando a instalação ficar online novamente, atualmente programado para 2024, o APS atualizado fornecerá feixes de raios-X até 500 vezes mais brilhantes do que os gerados nas instalações atuais. É trabalho da equipe de óptica descobrir como concentrar esses feixes intensos em tamanhos incrivelmente pequenos.

Resumidamente, esses feixes fenomenais brilhantes precisam ser reduzidos a pequenos tamanhos de pontos, frequentemente menor do que um único mícron, significando menor do que bactérias ou células do sangue. Os cientistas vão usar esses focos estritos, feixes extremamente brilhantes para revelar as propriedades de novos materiais para novos dispositivos, por exemplo, ou para ajudar a desenvolver a próxima geração de medicamentos que irão melhorar nossas vidas diárias.

Fontes de luz como o APS usam uma combinação de espelhos, dispositivos complexos chamados monocromadores, e lentes para manipular e focalizar feixes de raios-X de várias maneiras. Esses componentes são todos instalados em estações finais de experimentos chamadas linhas de luz localizadas ao redor do APS. Cientistas de todo o mundo usam esses raios-X para descobertas científicas. A atualização desta máquina exigirá nova tecnologia e componentes ópticos recém-projetados que são mais precisos do que aqueles em uso no APS atual.

"Todas as linhas de luz - incluindo nove recém-construídas e 15 com melhorias significativas - serão de última geração, e projetado para fazer algo que não podíamos fazer antes, "disse Lahsen Assoufid, líder do Grupo de Óptica na Divisão de Ciência de Raios-X da Argonne (XSD). "Estamos projetando uma ótica totalmente nova para as nove novas linhas de luz. Não há ótica existente que possamos reutilizar para elas."

Após a atualização, o APS irá gerar uma fonte de raios-X que tem cerca de 10 mícrons verticalmente e 30 mícrons horizontalmente, muito menor do que o que a instalação oferece agora. Assoufid e sua equipe estão encarregados de projetar um sistema que permitirá aos cientistas focalizar esse feixe muito brilhante em tamanhos incrivelmente pequenos. O sistema deve fazer isso preservando a coerência dos raios-X também. Coerência é a qualidade da luz que permite transportar informações quando ricocheteia nas superfícies. Quando esses feixes de raios-X atualizados difratam de uma amostra, eles vão entregar mais informações sobre essa amostra para os detectores, resultando em uma imagem mais detalhada.

"Queremos ter certeza de que o feixe coerente é preservado, "Disse Assoufid." Acho que é o maior desafio. Queremos que os espelhos preservem a qualidade do feixe na óptica de focagem. Queremos toda essa luz coerente em um ponto pequeno, para acelerar o tempo de medição. "

Xianbo Shi é um físico com XSD, e ele tem projetado vários desses novos sistemas com a ajuda da equipe em cada linha de luz com a qual trabalha. No total, ele disse, a atualização APS vai exigir mais de 1, 700 lentes e quase 60 espelhos altamente polidos. Cada um dos sistemas ópticos teve que ser especialmente projetado para detalhes exatos. Tão exigente, na verdade, que a tecnologia não existia para projetá-los de forma eficiente - a equipe de óptica de atualização APS teve que desenvolver seu próprio software, melhorando o estado da arte, antes que eles pudessem seguir em frente.

"Em cada etapa, usamos o melhor software e desenvolvemos com base nele, "Shi disse." Temos que projetar o software para que possamos projetar a ótica. "

Os espelhos que foram projetados, Shi disse, são o estado da arte mais exigente do mundo. Existem apenas algumas empresas no mundo que podem torná-los, ele disse, porque para preservar as qualidades do feixe, os espelhos devem ser quase perfeitamente lisos. Isso vai além do polimento químico mecânico tradicional e na remoção de átomos de suas superfícies um por um.

Na verdade, Assoufid disse, existe apenas uma empresa no mundo que pode oferecer a suavidade que alguns desses espelhos exigem. Cerca de 20 dos espelhos necessários para a atualização virão desta empresa, ele disse. Demora cerca de um ano para fazer espelhos como estes, e se eles não passarem na inspeção, a empresa precisará recomeçar quase do zero.

As lentes não precisam ser tão lisas, Shi disse, mas seu design e fabricação ainda são extremamente detalhados. As lentes são côncavas, o que significa que eles se curvam para dentro. Essa curva precisa ser criada exatamente para as especificações do projeto, de modo que focalizem o feixe como pretendido.

A equipe de óptica também tem desenvolvido tecnologia usando inteligência artificial para permitir que algumas linhas de luz alterem o tamanho do feixe de forma rápida e precisa, sem precisar que os cientistas façam ajustes. ATOMIC, uma das novas linhas de luz de recurso, é projetado para sondar a estrutura, propriedades químicas e físicas de amostras com precisão sem precedentes. Às vezes, isso exigirá que os cientistas se concentrem no tamanho do feixe na hora.

"A ótica do espelho de zoom significa que são necessários dois pares de espelhos de foco, então o tamanho do feixe pode mudar na amostra, "Assoufid explicou." Os cientistas da Beamline não têm tempo para alinhar os espelhos, então isso tem que ser feito automaticamente. Se eles querem focar o feixe em um ponto, e, em seguida, altere o tamanho, eles podem criar imagens de sua amostra em diferentes escalas. "

Os espelhos e lentes necessários para a atualização APS são tão precisos que alguns deles só podem ser testados em um feixe de raios-X real. À medida que chegam ao laboratório das empresas que os fabricam, a equipe fará a verificação no Setor 1 da APS e também realizará a metrologia óptica tradicional. Cada espelho leva até uma semana ou mais para testar, e a equipe teve que desenvolver novas ferramentas e tecnologia para fazer isso. Eles também estão criando novos sistemas de diagnóstico para cada uma das linhas de luz, medir o que antes não podia ser medido.

"A qualidade do feixe é importante, então precisamos de uma maneira de medi-lo, "Shi disse." Então, gastamos algum esforço no desenvolvimento de uma nova tecnologia de teste de frente de onda. Melhora o estado da arte. Podemos monitorar a linha de luz ao trocar a ótica e coletar informações para controlar essa ótica. "

Os novos espelhos, lentes e outros equipamentos serão instalados durante o período de um ano quando o APS for desligado para construção de atualização. O período de instalação está programado para começar em abril de 2023. Quando o novo sistema óptico for concluído, Assoufid disse, o efeito será como dar ao APS um novo par de óculos. O que antes era embaçado e difícil de ver agora vai entrar em foco.

"Ficarei feliz quando virmos a primeira luz, "disse ele." Fizemos muito progresso, mas há muito trabalho a ser feito. Estou animado, mas ficarei totalmente satisfeito quando tudo estiver concluído. "