SIRIUS: Verdens klareste synkrotronlys

Opkaldt efter den klareste stjerne på nattehimlen, Sirius er en af de første fjerdegenerations synkrotronlyskilder i verden og ligger i byen Campinas i staten São Paulo i Brasilien.

Det mest komplekse og største udstyr, der nogensinde er bygget i landet, Sirius, vil gøre det muligt for forskere at udvikle frontlinjeforskning. Der forventes banebrydende opdagelser inden for forskellige områder som energi, miljø, sundhed m.fl. Sirius er designet til - ligesom stjernen - at have det klareste lys af alt udstyr af sin slags. Og den er klar til at blive brugt.

Sirius er placeret i en stor og privat institution ved navn Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM), som er under opsyn af det brasilianske ministerium for videnskab, teknologi og innovation (MCTI).

Institutionen driver fire andre nationale laboratorier. Som en non-profit institution med fokus på forskning og udvikling har CNPEM til opgave at støtte innovation inden for forskellige områder som materialer, sundhed, fødevarer, miljø, energi og meget mere. CNPEM er i stand til at integrere videnskabelig og teknologisk viden fra alle sine nationale laboratorier.

Sirius fungerer som et (stort) mikroskop og dækker en stor del af det elektromagnetiske spektrum, lyset går fra infrarøde bølger til ultraviolet, og det omfatter også røntgenstråling. Udstyret med alt dette vil Sirius være i stand til at afsløre mange materialeegenskaber på molekylært og atomart niveau og endda undersøge elektroniske strukturer.

Det giver mulighed for tværfaglig forskning, som vil besvare akademiske og industrielle spørgsmål. For at producere synkrotronlyset accelereres ladede partikler - såsom elektroner - til næsten lysets hastighed i en rute, der styres af magnetfelter.

I dag findes der mere end ét udstyr i verden, der svarer til Sirius, f.eks. European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig. Og før Sirius brugte institutionen CNPEM et andet lignende udstyr, den første brasilianske synkrotronlyskilde - kendt som UVX - i Brasilien. meget mindre end Sirius, med høj pålidelighed og stabilitet. Men da Sirius var færdig, blev udstyret slukket. I årenes løb fik forskerne brug for mere information, end UVX kunne levere, og de nåede grænserne for fysisk plads og teknisk kapacitet.

I en tidslinje var den første diskussion om Sirius-projektet i 2003, hvor projektet begyndte at tage form. Opførelsen af bygningsanlægget startede i 2015, og i 2018 blev det endelig indviet.

Selvom bygningen var færdig, den næste fase med at sætte alt udstyret ind var kun lige begyndt.

I modsætning til UVX, der kun kunne analysere materialer på overfladiske niveauer, er Sirius' genererede energi i stand til at trænge ind i hårde og faste materialer med en dybde på flere centimeter.

"Det var som at tage et billede i svagt lys", siger Antonio José Roque da Silva, fysiker, direktør for CNPEM og SIRIUS i en udtalelse om UVX. "Sirius har mere lysintensitet, og derfor vil den optage på en hurtigere måde, som en film i stedet for et foto."

Sirius vil have to gange mere energi og 360 gange mindre emittans, hvilket fører til forskellige lysfrekvenser, der er en milliard gange mere lysstærke end UVX.

Med hensyn til hvordan udstyret fungerer, er dette Sirius' grundlæggende struktur:

Synkrotronlyskildens grundstruktur består hovedsageligt af to store sæt partikelacceleratorer, nemlig Injektionssystem og den Opbevaringsring.

Injektionssystemet består af den lineære accelerator, eller Linac, og Injector Synchrotron, eller Booster.

Sammen har de begge til opgave at producere elektronstrålen og accelerere den, indtil den når det energiniveau, der kræves for at fungere i lagerringen.

Derudover er der to transportlinjer, hvoraf den ene overfører elektronstrålen fra Linac til Booster og den anden fra Booster til Storage Ring.

Linac'en producerer en strømimpuls på en pulserende måde, specifikt to impulser pr. sekund, og derefter injiceres den producerede strømimpuls i boosteren.

Når elektronstrålerne er i boosteren, accelereres de, indtil de når det energiniveau, der er nødvendigt for at blive injiceret i lagerringen.

Storage Ring, som er hovedacceleratoren, der er ansvarlig for at holde elektronstrålen lagret i lange perioder, er til gengæld det sted, hvor synkrotronlyset til sidst produceres.

For at kontrollere elektronstrålens rute vil der desuden blive brugt en kombination af forskellige magneter, der producerer et magnetfelt - eller et magnetisk gitter - til at opretholde fokus og korrigere elektronstrålens rute.

I sidste ende vil synkrotronlyset være tilgængeligt i eksperimentelle stationer, der er placeret rundt om Storage Ring, kaldet Beamlines - det er her, forskere vil placere deres materialeprøver og producere data til yderligere undersøgelse af det.

Sirius-kort med forskellige farver, der viser hver region i udstyret

Billedet ovenfor - som er tilgængeligt på CNPEM's hjemmeside - viser en illustration af SIRIUS, hvor Storage Ring, som er repræsenteret af den blå cirkel, har en omkreds på ca. 518 meter, mens Booster, som er vist i orange, er ca. 496 meter.

Linac er på den anden side meget mindre med kun 32 meter, repræsenteret ved den lyserøde linje.

Således vil disse fjerdegenerations synkrotronlyskilder hjælpe forskere med at gå dybere - bogstaveligt talt - i deres forskning og få plads og bedre værktøjer til at analysere komplekse emner.

For eksempel vil mere avancerede jordanalyser øge viden om udvikling af gødningsstoffer, hvilket fører til produktion af mindre giftige landbrugsprodukter til gavn for menneskers sundhed og miljøet.

På samme måde vil Sirius også gøre det muligt for forskere at udvikle nye materialer på grund af en mere komplet undersøgelse af nanopartiklers strukturer.

Den 21. oktober 2020 blev den første Sirius beamline kaldet Manacá åbnet for forskningsbrug. Denne linje er beregnet til at fokusere på makromolekyler, studere proteiner og deres interaktioner med medicin.

I fremtiden vil yderligere fem beamlines være åbne for brug, kaldet Carnaúba, Cateretê, Ema, Ipê og Mogno. Hvert af dem vil fokusere på en bestemt type analyse. I dag er disse beamlines i en fremskreden fase af installationen, og ved udgangen af 2021 skulle nogle af dem være færdige.

I alt vil Sirius-strukturen have 14 arbejdsstationer. Det komplette projekt omfatter syv andre beamlines, som forventes at blive åbnet i 2021. Antallet af beamlines kan dog gradvist udvides og nå op på 40 eksperimentelle stationer.

Se en video om Sirius' konstruktion her, med udtalelser og forklaringer direkte fra de involverede ingeniører.

Og du kan også besøge CNPEM's officielle hjemmeside som har alle oplysninger om SIRIUS-projektet.

I sidste ende har Sirius ikke kun forventninger til brasilianske forskere, men begejstringen for fremskridt inden for forskning går hele kloden rundt. Kom så, videnskab!

Og vidste du, at du kan uploade et billede fra din computer og bruge det i din infografik? Ja, det kan du!

Det er sådan, jeg har lavet min infografik i denne artikel! Meget cool, ikke?

Så lad os gå til Mind the Graph, og start din ny skabelse!

SIRIUS: Den klareste stjerne i Brasilien

Tilmeld dig vores nyhedsbrev