Radiação sincrotrão

A principal figura de mérito utilizada para comparar diferentes fontes de radiação sincrotrão tem sido referida como "brilho" (brightness), "brilhantismo" (brilliance) e "brilho espetral" (spectral brightness), sendo este último termo recomendado como a melhor escolha pelo Grupo de Trabalho em Nomenclatura de Sincrotrão. Independentemente do nome escolhido, o termo é uma medida do fluxo total de fotões num determinado espaço de fases hexadimensional por unidade de largura de banda (BW). onde N ˙ ph {\displaystyle {\dot {N}}_{\text{ph}}} é o número de fotões por segundo no feixe, σ x {\displaystyle \sigma _{x}} e σ y {\displaystyle \sigma _{y}} são os valores da raiz do valor quadrático médio (RMS) para o tamanho do feixe nos eixos perpendiculares à direção do feixe, σ x ′ {\displaystyle \sigma _{x'}} e σ y ′ {\displaystyle \sigma _{y'}} são os valores RMS para o ângulo sólido do feixe nas dimensões x e y, e d ω ω {\textstyle {\frac {d\omega }{\omega }}} é a largura de banda relativa, ou dispersão na frequência do feixe em torno da frequência central. O valor habitual para a largura de banda é 0,1%.

Especialmente quando produzida artificialmente, a radiação sincrotrão destaca-se pelo seu:

As fontes de luz sincrotrão podem ser classificadas em três categorias gerais, também conhecidas como "gerações".

A radiação sincrotrão pode ocorrer nos aceleradores quer como um inconveniente, causando perdas de energia indesejadas em contextos de Física de partículas, quer como uma fonte de radiação produzida deliberadamente para inúmeras aplicações laboratoriais. Os eletrões são acelerados a altas velocidades em várias fases para atingir uma energia final que se situa tipicamente na gama dos gigaeletrão-volts. Os eletrões são forçados a percorrer um caminho fechado por campos magnéticos fortes. Isto é semelhante a uma antena de rádio, mas com a diferença de que a velocidade relativista altera a frequência observada devido ao Efeito Doppler por um fator γ {\displaystyle \gamma } . A Contração de Lorentz relativista aumenta a frequência por outro fator de γ {\displaystyle \gamma } , multiplicando assim a frequência de giga-hertz da cavidade ressonante que acelera os eletrões para a gama dos raios X. Outro efeito dramático da relatividade é que o padrão de radiação é distorcido do padrão de dipolo isotrópico esperado da teoria não-relativista para um cone de radiação extremamente apontado para a frente. Isto faz das fontes de radiação sincrotrão as fontes mais brilhantes conhecidas de raios X. A geometria de aceleração planar torna a radiação linearmente polarizada quando observada no plano orbital, e circularmente polarizada quando observada num ângulo pequeno em relação a esse plano.[carece de fontes?]

A radiação sincrotrão de um feixe de eletrões que circula a alta energia num campo magnético leva à autopolarização radiativa dos eletrões no feixe (Efeito Sokolov-Ternov). Este efeito é utilizado para produzir feixes de eletrões altamente polarizados para utilização em várias experiências.[carece de fontes?] A radiação sincrotrão define o tamanho dos feixes (determinado pela emitância do feixe) em anéis de armazenamento de eletrões através dos efeitos de amortecimento por radiação e excitação quântica.

Numa instalação de sincrotrão, os eletrões são geralmente acelerados por um sincrotrão e depois injetados num anel de armazenamento, no qual circulam, produzindo radiação sincrotrão, mas sem ganhar mais energia. A radiação é projetada tangencialmente ao anel de armazenamento de eletrões e capturada pelas linhas de luz (beamlines). Estas linhas de luz podem ter origem em ímanes de curvatura, que marcam os cantos do anel de armazenamento; ou em dispositivos de inserção, que se localizam nas secções retas do anel de armazenamento. O espetro e a energia dos raios X diferem entre os dois tipos. A linha de luz inclui dispositivos óticos de raios X que controlam a largura de banda, o fluxo de fotões, as dimensões do feixe, o foco e a colimação dos raios. Os dispositivos óticos incluem fendas, atenuadores, monocromatizadores de cristal e espelhos. Os espelhos podem ser curvados em formas toroidais para focar o feixe. Um fluxo elevado de fotões numa área pequena é o requisito mais comum de uma linha de luz. O design da linha de luz varia com a aplicação. No final da linha de luz encontra-se a estação experimental final, onde as amostras são colocadas na linha da radiação e os detetores são posicionados para medir a resultante difração, dispersão ou radiação secundária.

A luz sincrotrão é uma ferramenta ideal para muitos tipos de investigação em Ciência dos materiais, Física e Química, sendo utilizada por investigadores de laboratórios académicos, industriais e governamentais. Vários métodos tiram partido da elevada intensidade, comprimento de onda sintonizável, colimação e polarização da radiação sincrotrão em linhas de luz concebidas para tipos específicos de experiências. A elevada intensidade e o poder de penetração dos raios X de sincrotrão permitem a realização de experiências no interior de células de amostras concebidas para ambientes específicos. As amostras podem ser aquecidas, arrefecidas ou expostas a ambientes gasosos, líquidos ou de alta pressão. As experiências que utilizam estes ambientes são designadas por in situ e permitem a caracterização de fenómenos à escala atómica e nanométrica que são inacessíveis à maioria das outras ferramentas de caracterização. As medições in operando são concebidas para imitar o mais fielmente possível as condições reais de funcionamento de um material.

Devido à utilidade da radiação de raios X coerente, colimada e sintonizável, têm sido feitos esforços para criar fontes mais pequenas e económicas da luz produzida pelos sincrotrões. O objetivo é tornar tais fontes disponíveis dentro de um laboratório de investigação por razões de custo e conveniência; atualmente, os investigadores têm de se deslocar a uma instalação para realizar experiências. Um método para criar uma fonte de luz compacta é utilizar o desvio de energia da Dispersão de Compton de fotões de laser quase visíveis em eletrões armazenados em energias relativamente baixas de dezenas de megaeletrão-volts (ver, por exemplo, a Compact Light Source (CLS)).