Síncrotron

Fotografia panorâmica do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas, estado de São Paulo, o primeiro acelerador de partículas do tipo síncrotron do hemisfério sul.

Em física nuclear, síncrontron ^{(português brasileiro)} ou sincrotrão ^{(português europeu)} é um acelerador de partículas cíclico, no qual o campo elétrico é responsável pela aceleração das partículas, e o campo magnético é responsável pela mudança de direção das partículas.

Vantagens do síncroton

O cíclotron convencional não funciona bem no caso de protões com uma energia maior que 50 MeV, porque a hipótese fundamental do projeto, a de que a frequência de rotação de uma partícula carregada que circula na presença de um campo magnético não depende da velocidade, é válida apenas para velocidades muito menores que a velocidade da luz.

Para velocidades acima de 10% da velocidade da luz, devem ser usadas as equações da Teoria da Relatividade. De acordo com essa teoria, quanto maior a velocidade da partícula, maior a massa e menor a frequência de rotação. Assim, as partículas atrasam-se em relação à frequência do oscilador, que tem um valor fixo ^$f$_$ocs$ , e a energia da partícula passa a aumentar cada vez menos, a cada rotação, tendendo para um valor constante.

Existe também um outro problema: para um protão de 500 GeV num campo magnético de 1,5 T, o raio da trajetória é 1,1 Km. No caso de um ciclotrão convencional, o campo magnético teria que ser aplicado em toda a região limitada pela trajetória, o que exigiria um íman de tamanho impraticável, com peças polares na ordem de 4 x 10⁶ m².

O sincrotrão foi criado para solucionar esses dois problemas. Em vez de possuírem valores fixos, como no ciclotrão convencional, o campo magnético $B$ e a frequência do oscilador ^$f$_$osc$ variam com o tempo enquanto as partículas estão em aceleração.

Quando isso é realizado de forma correta:

1. A frequência de rotação das partículas permanece em equilíbrio com a frequência do oscilador;
2. As partículas descrevem uma trajetória circular em vez de espiral. Assim, o campo magnético precisa cobrir uma área bem menor, correspondente a essa trajetória.

Mesmo assim, no caso de partículas de alta energia, o raio da trajetória não pode deixar de ser grande.

O sincrotrão do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), em Illinois, tem uma circunferência de 6,3 Km e pode produzir protões com uma energia na ordem de 1 TeV (=10¹² eV).

Funcionamento

Um feixe de electrões é produzido num canhão eletrónico semelhante ao dos tubos de raios catódicos em (1).

Estes electrões são acelerados por um campo elétrico intenso num acelerador linear (2) que é conhecido por LINAC - Linear Accelerator. A tensão de aceleração é da ordem de 250 MV, pelo que a energia dos electrões à saída do LINAC é da ordem de 250 MeV. Segue-se uma aceleração na ordem dos GeV num pequeno acelerador circular (3) conhecido por Booster.

De seguida os electrões são ejetados do pequeno anel para o anel principal (4) conhecido por anel de armazenamento. Este anel é, na realidade, um polígono constituído por uma série de segmentos lineares em que nos ângulos existem magnetes potentes que deflectem os electrões de segmento linear para segmento linear. É nesta deflecção que ocorre a aceleração e, portanto, é emitida a radiação de sincrotrão que é depois utilizada nas linhas de trabalho onde se fazem as experiências (5 e 6, na figura). No ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), em Grenoble, França, existem 32 segmentos lineares e portanto, 32 estações de trabalho.

Esquema do Síncrotron SOLEIL (Saclay, França).

O SOLEIL é um síncrotron de terceira geração, inaugurado em 2006, no Centro CEA-Saclay, em Saint-Aubin (Essonne), no cluster tecnológico Paris-Saclay. Na figura à esquerda, o anel circular exterior é o síncrotron, que traz os elétrons (feixe de luz azul) para velocidades muito altas. Os elétrons são acelerados por campos elétricos nas seções retas, entre quadrados verdes. Os retângulos vermelhos são ímãs que dobram o feixe. Quando o feixe é dobrado, os elétrons emitem radiação síncrotron (em amarelo), especialmente raios-X; estes são enviados para as diversas linhas de luz (as linhas retas que se ramificam para fora do síncrotron). Cada linha de luz contém instrumentos científicos, experiências, etc. e recebe um intenso feixe de radiação.

Ver também

• Aceleradores de partículas
• Sincrocíclotron.
• Cíclotron.
• Lista dos Síncrotrons pelo Mundo (em inglês)