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Ministério da Ciência e TecnologiaMarco Antonio Raupp

Secretário ExecutivoLuiz Antonio Rodrigues Elias

Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM)Conselho de Administração

Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM)Diretor-Geral: Carlos Alberto Aragão de Carvalho Filho

Diretor de Administração: Jovan Guimarães Gadioli dos Santos

Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS)Diretor: Antonio José Roque da Silva

Laboratório Nacional de Biociências (LNBio)Diretor: Kleber Gomes Franchini

Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE)Diretor: Carlos Alberto Labate

Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano)Diretor: Fernando Galembeck

Pedro WongtschowskiPresidente do Conselho de Administração

Amir Ordacgi CaldeiraInstituto de Física Gleb Wataghin (IFGW/Unicamp)

Antonio Rubens Britto de CastroPesquisador - CNPEM

Edmundo José Correia AiresVice-Presidente de Inovação e Tecnologia da Braskem S.A.

Emilio Kazunoli MatsuoVice-Presidente Executivo de Tecnologia da Embraer

Erney Felicio Plessmann CamargoDiretor Presidente da Fundação Zerbini

Jefferson BettiniCNPEM (Representante dos funcionários)

João Fernando Gomes de OliveiraUniversidade de São Paulo (USP) - São Carlos

José Ellis Ripper FilhoPresidente da AsGa S.A

José Fernando PerezPresidente da Recepta Biopharma

Luis Roberto PogettiPresidente do Conselho de Administração

da Copersucar

Luiz DavidovichInstituto de Física - Universidade Federal

do Rio de Janeiro (UFRJ)

Mariano Francisco LaplanePresidente do CGEE

Pedro Antonio Arraes PereiraSubsecretaria de Desenvolvimento Sustentável

Presidência da República

Reginaldo dos SantosDiretor-Geral da Binacional Alcântra Cyclone Space

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Fontes de luz síncrotron são equipamentos de grande porte, que produzem feixes de radiação eletromagnética de amplo espectro (do infraver-melho, aos raios X) e de alta intensidade, utilizados no estudo de materiais sintéticos e biológicos em escala atômica.

A comunidade científica brasileira passou a ter acesso a essa tecnologia fundamental no ano de 1997, com a inauguração do Laboratório Na-cional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas, São Paulo. O Síncrotron nacional, de 2ª geração, proje-tado e construído por brasileiros nas décadas de 80 e 90, também representou um marco no dese-nho institucional da pesquisa no País: foi concebi-do com base no conceito de Laboratório Nacional,

viabilizando a construção e operacionalização de uma grande máquina de pesquisa, aberta ao uso das comunidades acadêmica e empresarial.

Nos últimos 15 anos, o uso de Luz Síncrotron em pesquisas científicas e tecnológicas registrou um enorme avanço, inclusive no Brasil. Globalmen-te, tem-se observado um significativo aumento no número de usuários, incluindo empresas que pas-saram a fazer uso dessas instalações para estudos de fármacos, energia (catalisadores, baterias, cé-lulas de combustível etc.), microeletrônica, petro-química, metalurgia, cosméticos, alimentos e ma-teriais (polímeros, cimentos, vidros, entre outros).

O aumento da demanda por fontes Síncro-tron decorre, principalmente, da grande evolu-

Sirius: a nova fontebrasileira de luz síncrotron

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Elétrons na velocidade da luz

A Luz Síncrotron é a radiação eletromagnética produzida por feixes de elétrons de alta energia circulando em anéis de armazenamento com velocidade próxima à da luz, quando têm sua órbita curvada pela ação de

um campo magnético. A radiação eletromagnética, extraída tangencialmente da trajetória dos elétrons, é utilizada para experimentos nas linhas de luz

http://www.synchrotron-soleil.fr/

Um laboratório síncrotron é composto por duas partes: um acelerador, onde a radiação é pro-duzida a partir do movimento dos elétrons (partí-culas elementares da matéria), e um conjunto de estações experimentais, conhecidas como linhas de luz, para as quais essa radiação é direcionada, e onde os experimentos são efetivamente realiza-

dos. O acelerador de elétrons do Sirius está sen-do projetado para que a nova fonte seja uma das melhores do mundo. Isso permitirá que as linhas de luz instaladas no acelerador (as estações expe-rimentais) possam desenvolver experimentos que elevarão a qualidade e tornarão mais rápidas as análises realizadas hoje no LNLS.

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ção da tecnologia deste tipo de acelerador de partículas, o que abriu novos horizontes para investigações científicas. Existem hoje cerca de 50 fontes em operação em todo o mundo, 15 delas de 3ª geração. Nos últimos anos foram inauguradas cinco dessas novas fontes na Aus-trália, França, Reino Unido, China e Alemanha. Outras oito estão em construção: uma nos EUA, duas na Suécia e as demais na Coréia, Espanha, Dinamarca, Taiwan e Polônia.

Para garantir a competitividade da ciência e a tecnologia brasileiras, o Brasil iniciou, em 2009, o projeto de construção de sua fonte síncrotron de 3ª geração. Batizada com o nome de Sirius, terá brilho comparável - ou superior - ao de todas as fontes em construção ou recentemente instaladas na América do Norte, Europa e Ásia.

O projeto inclui inovações tecnológicas que reduzirão os investimentos e o consumo de ener-gia necessária para sua operação, ao mesmo tem-

po em que aumentarão a confiabilidade. O projeto e a construção dos principais equipamentos serão brasileiros, assim como o foram os da primeira fon-te em operação no LNLS.

Sirius terá suas instalações abertas a usuários acadêmicos e empresariais, no mesmo modelo em que opera o atual Síncrotron que, em 2012, foi uti-lizada por 1.400 pesquisadores, entre brasileiros e estrangeiros.

Sirius também ampliará parcerias que o LNLS mantém com empresas como a Petrobras, Braskem e Oxiteno, entre outras, para a implementação de projetos de novas tecnologias que têm contribuí-do para a consolidação da indústria nacional.

A nova fonte de Luz Síncrotron abrirá, assim, novas oportunidades de pesquisa e desenvolvi-mento para o País e, ao lado de outros grandes projetos já concebidos, contribuirá para consolidar a trajetória do Brasil na direção de tornar-se uma das maiores economias do mundo.

O comportamento dos materiais – resistência elétrica e mecânica, propriedades ópticas e magnéticas, funções das moléculas biológicas, dentre outras – depende fundamental-mente dos tipos de átomos que os compõem, de sua distri-buição espacial e das ligações químicas entre eles. O grafite e o diamante, por exemplo, são formados somente por átomos de carbono, mas têm propriedades distintas devido aos dife-rentes arranjos espaciais. Isto vale para materiais biológicos como as proteínas: o conhecimento de sua estrutura mole-cular é essencial para a compreensão de suas funções nos organismos vivos.

Desta mesma forma, o controle sobre a matéria e o de-senvolvimento de novos materiais com características dife-renciadas – mais leves, mais resistentes, mais eficientes – de-pende da sua compreensão em escala atômica. Para tanto, são necessárias “ferramentas” especiais que permitam “enxer-gar” e interagir com os átomos. O Síncrotron é a ferramenta mais versátil para cumprir esta função.

Em 1912, o navio Titanic chocou-se com um iceberg e afundou 2 horas depois com uma rachadura lateral. Hoje se sabe que um dos fatores que contribuíram para a sua rápida submersão foi a qualidade do aço, quebradiço a baixas temperaturas. O entendimento da propagação

de falhas estruturais em materiais e do processo atômico de quebras de ligações químicas permite melhorar a

qualidade do produto

Para que serve a Luz Síncrotron?

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Área total: 42 mil m2

Energia: 3 GeV

Diâmetro do anel: 518m

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Parâmetrosdos aceleradores

Sirius, a nova fonte de luz síncrotron brasilei-ra, será formada por um acelerador de elétrons de 3 GeV, com aproximadamente 500m de circunfe-rência, com capacidade para até 40 linhas de luz. Os elétrons são conduzidos ao acelerador por um síncrotron injetor operando de 150 MeV a 3 GeV que, por sua vez, será alimentado por um acelera-dor linear de elétrons (LINAC, na sigla em inglês) de 150 MeV.

Planta baixa do projeto arquitetônicobásico do Sirius

A - Acelerador LinearB - BoosterC - Anel de armazenamento

Linha de luz 250m (2x)

Linha de luz 100m (6x)

(Standard - 32x)Linha de luz 63m (2x)

Comparação entre a fonteatual e o Projeto Sirius

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Os parâmetros dos aceleradores do Sirius possibilitarão a construção de linhas de luz no estado da arte da tecnologia de radiação Síncrotron e a realização de análises muito mais precisas de materiais de interesse industrial e acadêmico. As novas linhas de luz estão sendo projetadas para:

• Explorar novas fronteiras da biologiaestrutural, permitindo a resolução de estruturas de proteínas mais complexas.

• Trazer a resolução nanométrica paraanálises estruturais e espectroscópicas de materiais realizadas hoje no LNLS, por meio de técnicas como nanodifração e nanoespectroscopia.

• Permitir a obtenção de imagens 3D emtomografias por raios X de objetos grandes e densos com resolução submicrométrica, ou mesmo de pequenos objetos como células, com resolução nanométrica.

• Dar acesso a novas escalas de tempo ecomprimento dos fenômenos físicos elementares responsáveis pela resposta dinâmica de materiais (óptica, elétrica, mecânica, viscoelástica etc.), por meio de técnicas inovadoras.

Para atingir esses objetivos, está em projeto um conjunto inicial de 13 linhas de luz da nova fonte Sirius que deverá cobrir as três grandes áreas técnicas: espalhamento ou difração, espectroscopia e imagem ou tomografia.

O síncrotron tem hoje 18 linhas de luz abertas a toda comunidade acadêmica e industrial, cobrindo a maioria das técnicas experimentais convencionais com infravermelho, UV e raios X que são possíveis de se realizar em síncrotrons de 2a geração. Este número de linhas de luz vem crescendo desde julho de 1997 e praticamente atingiu seu limite de expansão.

Há diversas limitações deste anel síncrotron que não permitem a realização de experimentos mais avançados, feitos em síncrotrons de 3a geração. Uma é sua energia. Mesmo com dispositivos especiais (como o wiggler supercondutor de 4T) a energia máxima dos raios X produzidos hoje não ultrapassa os 30 keV. No Sirius este mesmo dispositivo poderá produzir raios X de até 250 keV. Isto é fundamental para a área de mineralogia, por exemplo, no estudo de rochas do pré-sal, o qual

Representação esquemática de uma linha de luz em um síncrotron de 3a geração

Linhas de luz

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• Fósforo(P):Ciênciasdosolo, mineralogia, catalisadores• Enxofre:Petroleômica,corrosão em ambiente com H2S• Cloro:Corrosãoemambientesalino• Potássio:Catalisadoresdeolefinas• Cálcio:Biomineralizaçãoemmicroe nanofósseis, rochas carbonáticas No que diz respeito a altas energias (até

cerca de 200 keV), importantes para tomografia de rochas, a linha Jatobá do Sirius terá um brilho bilhões de vezes maior que fontes convencionais, mesmo as mais recentes, baseadas em anôdos de metais líquidos, que são o estado da arte em geradores convencionais de raios X. Isso permitirá a realização de experimentos de tomografia em amostras como rochas do pré-sal, em tempos muitos menores do que os realizados hoje e com uma resolução espacial muito melhor.

Veja as principais características das 13 primeiras linhas de luz que serão construídas no Sirius nas tabelas abaixo.

poderá ser realizado na linha Jatobá, uma vez que o fluxo apresentará várias ordens de magnitude melhor que um gerador convencional de raios X.

O uso de onduladores como fontes de raios X também não é possível no UVX. Essas fontes de mais alto brilho são a base de linhas de micro e nanofoco para experimentos de difração, absorção e fluorescência, como as linhas Carnaúba, Ema, Ipê e Sabiá, previstas no novo acelerador. Os onduladores de raios X do Sirius também permitirão experimentos de espalhamento Raman de raios X, como na linha Ingá e experimentos de espalhamento dinâmico de raios X, como na linha Cateretê. Além das linhas de ondulador e wiggler, o Sirius também terá linhas com as técnicas convencionais de SAXS (espalhamento de raios X a baixos ângulos), difração de pó, espectroscopia de raios X, microtomografia e infravermelho.

O estado da arte em experimentos de mapeamento químico e cristalográfico de materiais com síncrotrons de 3a geração prevê a realização de varreduras com feixes de spot micro ou manométrico sobre as amostras. Nesses experimentos, o feixe é concentrado com uma convergência angular dada pela abertura numérica (NA) do elemento focalizante. O fluxo de fótons F que se consegue concentrar num spot de diâmetro D em uma varredura então é dado por F=2(NA×D)B, onde B é o brilho da fonte. Por isso, quanto menor o tamanho do spot de varredura (melhor resolução espacial) e menor a abertura numérica necessária, maior tem que ser o brilho da fonte.

O brilho teórico dos onduladores, wigglers e dipolos do Sirius estão apresentados no gráfico ao lado. Note que, além do brilho obtido nestes dispositivos ser uma ou duas ordens de grandeza maior que o estado da arte atual em síncrotrons, o primeiro harmônico de emissão do ondulador cobre uma faixa de baixa energia, muito importante para problemas relacionados a óleo e gás. Podemos citar alguns como:

Brilho das fontes de raios X do Sirius. A posição das bordas K de absorção de elementos químicos importantes estão apresentadas no canto esquerdo superior figura acima

*( Imãs de NdFeB, Br = 1.3 T, min. gap 5 mm, P. Elleaume (2000) fit to Halbach)

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Linhas de luz de 4T Wiggler (JATOBÁ) e 2T dipoloZP NA: to match the numerical aperture of objective zone plate

Linhas de luz de UV e Soft X-ray (EPU 50 + EPU200) e infravermelho* Unfocused. SNOM: Scanning Near Field Optical Microscope

Linhas de luz de alto brilho (onduladores IVU19). d.l.f: Diffraction Limited Focusing,CDI: Coherent Diffraction Imaging. *Unfocused. DT: Direct Tomography

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Assessoria de Comunicação CNPEMTexto: Gustavo MorenoDesign Gráfico: William BarbosaCampinas, Junho de 2013

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Endereço: Rua Giuseppe Máximo Scolfaro, 10000 - Pólo II de Alta Tecnologia de CampinasCampinas – SP - CEP 13083-100

Endereço para correspondência: Caixa Postal 6192 CEP 13083-970, Campinas - SPTelefone: 19 3512-1010 - Fax: 19 3512-1004

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