Beamline - Beamline
Na física do acelerador , uma linha de luz se refere à trajetória do feixe de partículas aceleradas, incluindo a construção geral do segmento de caminho (tubos-guia, dispositivos de diagnóstico) ao longo de um caminho específico de uma instalação de acelerador . Esta parte é também
- a linha em um acelerador linear ao longo da qual um feixe de partículas viaja, ou
- o caminho que leva do gerador de partículas (por exemplo, um acelerador cíclico) à estação final experimental (como em fontes de luz síncrotron , ciclotrons ou fontes de fragmentação ).
As linhas de feixe geralmente terminam em estações experimentais que utilizam feixes de partículas ou luz síncrotron obtida de um síncrotron , ou nêutrons de uma fonte de fragmentação ou reator de pesquisa . As linhas de feixe são usadas em experimentos em física de partículas , ciência dos materiais , química e biologia molecular , mas também podem ser usadas para testes de irradiação ou para produzir isótopos.
Linha de luz em um acelerador de partículas
Em aceleradores de partículas, a linha de luz é normalmente alojada em um túnel e / ou subterrâneo, revestida dentro de uma carcaça de concreto para fins de blindagem. A linha de luz é geralmente um tubo de metal cilíndrico, normalmente chamado de tubo de feixe e / ou tubo de derivação , evacuado para um alto vácuo para que haja poucas moléculas de gás no caminho para o feixe de partículas aceleradas atingir, que de outra forma poderia espalhá-los antes de chegarem ao seu destino.
Existem dispositivos e equipamentos especializados na linha de luz que são usados para produzir, manter, monitorar e acelerar o feixe de partículas. Esses dispositivos podem estar próximos ou conectados diretamente à linha de luz. Estes dispositivos incluem sofisticados transdutores , diagnósticos (monitores de posição e digitalizadores de arame ), lentes , colimadores , termopares , bombas de iões , medidores de iões , câmaras de ionização (para fins de diagnóstico, geralmente chamados "monitores feixe"), válvulas de vácuo ( "válvulas de isolamento") e válvulas de gaveta , para citar alguns.
É imperativo ter todas as seções da linha de luz, ímãs, etc., alinhados (geralmente por um levantamento e uma equipe de alinhamento usando um rastreador a laser ), as linhas de luz devem estar dentro da tolerância de micrômetro . Um bom alinhamento ajuda a evitar a perda do feixe e a colisão do feixe com as paredes do tubo, o que cria emissões secundárias e / ou radiação .
Linha de luz de radiação síncrotron
Em relação aos síncrotrons , a linha de luz também pode se referir à instrumentação que transporta feixes de radiação síncrotron para uma estação final experimental, que usa a radiação produzida pelos ímãs de flexão e dispositivos de inserção no anel de armazenamento de uma instalação de radiação síncrotron . Uma aplicação típica para este tipo de linha de luz é a cristalografia , embora existam muitas outras técnicas que utilizam luz síncrotron .
Em uma grande instalação de síncrotron, haverá muitas linhas de luz, cada uma otimizada para um determinado campo de pesquisa. As diferenças dependerão do tipo de dispositivo de inserção (que, por sua vez, determina a intensidade e distribuição espectral da radiação); o equipamento de condicionamento de feixe; e a estação final experimental. Uma linha de luz típica em uma instalação de síncrotron moderna terá de 25 a 100 m de comprimento do anel de armazenamento à estação final e pode custar até milhões de dólares americanos. Por esse motivo, uma instalação de síncrotron é frequentemente construída em estágios, com as primeiras linhas de luz abrindo no primeiro dia de operação e outras linhas de luz sendo adicionadas posteriormente, conforme o financiamento permitir.
Os elementos da linha de luz estão localizados em gabinetes de proteção contra radiação, chamados hutches , que são do tamanho de uma pequena sala (cabine). Uma linha de luz típica consiste em duas gaiolas, uma gaiola óptica para os elementos de condicionamento da viga e uma gaiola experimental, que abriga o experimento. Entre as gaiolas, a viga viaja em um tubo de transporte. A entrada nas gaiolas é proibida quando a veneziana está aberta e a radiação pode entrar na gaiola. Isso é reforçado pelo uso de sistemas de segurança elaborados com funções de intertravamento redundantes , que garantem que ninguém esteja dentro da gaiola quando a radiação é ligada. O sistema de segurança também desligará o feixe de radiação se a porta da gaiola for aberta acidentalmente quando o feixe for ligado. Nesse caso, o feixe é descarregado , o que significa que o feixe armazenado é desviado para um alvo projetado para absorver e conter sua energia.
Os elementos que são usados em linhas de luz por experimentadores para condicionar o feixe de radiação entre o anel de armazenamento e a estação final incluem o seguinte:
- Janelas: as janelas são usadas para separar as seções de vácuo UHV e HV e para encerrar a linha de luz. Eles também são usados entre as seções de vácuo UHV para fornecer proteção contra acidentes de vácuo. As lâminas utilizadas para a membrana da janela também atenuam o espectro de radiação na região abaixo de 6KeV.
1- Janelas de berílio: As janelas de berílio podem ser fornecidas resfriadas ou não, com vários tamanhos (e números) de aberturas. As janelas são dimensionadas para atender a requisitos específicos, no entanto, o tamanho máximo de uma janela é determinado pela espessura da folha e diferencial de pressão a ser suportado. As janelas podem ser fornecidas com uma variedade de tamanhos de flange de entrada / saída da viga para atender a requisitos específicos. 2- Janelas de diamante CVD: O diamante de deposição química de vapor (CVD) oferece extrema dureza, alta condutividade térmica, inércia química e alta transparência em uma ampla faixa espectral. Mais forte e mais rígido que o berílio, com menor expansão térmica e menor toxicidade, é ideal para janelas de isolamento UHV em linhas de luz de raios-X. As janelas podem ser fornecidas embutidas em flanges UHV e com refrigeração a água eficiente. 3- Janelas de saída: as janelas de saída a vácuo vêm em uma variedade de materiais, incluindo berílio e diamante CVD detalhados acima.
- Fendas: as fendas são usadas para definir a viga horizontal ou verticalmente. Eles podem ser usados em pares para definir o feixe em ambas as direções. o tamanho máximo da abertura é selecionado para atender a requisitos específicos. As opções incluem fendas resfriadas (operação de feixe branco) ou não resfriadas (operação de feixe monocromático) e revestimento de fósforo no lado a montante da fenda para auxiliar na localização do feixe. Existem quatro tipos principais de fendas: fendas de lâmina, fendas de alta carga térmica, fendas em linha, fendas de alta precisão.
- Persianas: as venezianas são usadas para interromper a radiação da parte frontal ou caixas ópticas quando não são necessárias a jusante. Eles têm uma função de segurança do equipamento e do pessoal. E existem três tipos de venezianas; Persianas de fóton, persianas de feixe monocromáticas, persianas personalizadas
- Filtros de feixe: (ou atenuadores) removem faixas de energia indesejadas do feixe, passando a radiação síncrotron incidente através de uma folha fina transmissiva. Eles são freqüentemente usados para gerenciar cargas de calor de feixes brancos para otimizar o desempenho da linha de luz de acordo com a energia de operação. Um filtro típico tem dois ou três racks, com cada rack segurando três das quatro folhas separadas, dependendo da seção transversal da viga.
- Espelhos de focagem - um ou mais espelhos, que podem ser planos, curvados ou toroidais , o que ajuda a colimar (focalizar) o feixe
- Monocromadores - dispositivos baseados em difração por cristais que selecionam bandas de comprimento de onda particulares e absorvem outros comprimentos de onda, e que às vezes são sintonizáveis em comprimentos de onda variados e, às vezes, fixados em um comprimento de onda particular
- Tubos de espaçamento - tubos de manutenção de vácuo que fornecem o espaço adequado entre os elementos ópticos e protegem qualquer radiação espalhada
- Estágios de amostra - para montar e manipular a amostra em estudo e submetê-la a várias condições externas, como temperatura, pressão, etc.
- Detectores de radiação - para medir a radiação que interagiu com a amostra
A combinação de dispositivos de condicionamento de feixe controla a carga térmica (aquecimento causado pelo feixe) na estação final; o espectro de radiação incidente na estação final; e o foco ou colimação do feixe. Os dispositivos ao longo da linha de luz que absorvem energia significativa do feixe podem precisar ser resfriados ativamente por água ou nitrogênio líquido . Todo o comprimento de uma linha de luz é normalmente mantido sob condições de ultra alto vácuo .
Software para modelagem de linha de luz
Embora o projeto de uma linha de luz de radiação síncrotron possa ser visto como uma aplicação da óptica de raios-X, existem ferramentas dedicadas para modelar a propagação dos raios-X ao longo da linha e sua interação com vários componentes. Existem códigos de rastreamento de raios, como Shadow e McXTrace, que tratam o feixe de raios X no limite óptico geométrico, e há software de propagação de ondas que leva em conta a difração e as propriedades intrínsecas de onda da radiação. Para fins de compreensão da coerência total ou parcial da radiação síncrotron, as propriedades da onda precisam ser levadas em consideração. Os códigos SRW , Spectra e xrt incluem esta possibilidade, o último código suporta o regime "hybryd" que permite mudar da abordagem geométrica para a onda em um determinado segmento óptico.
Linha de luz de nêutrons
Superficialmente, as linhas de luz de nêutrons diferem das linhas de luz de radiação síncrotron principalmente pelo fato de usarem nêutrons de um reator de pesquisa ou uma fonte de fragmentação em vez de fótons. Como os nêutrons não carregam e são difíceis de redirecionar, os componentes são bastante diferentes (veja, por exemplo, choppers ou superespelhos de nêutrons). Os experimentos geralmente medem o espalhamento de nêutrons ou a transferência de energia para a amostra em estudo.