SIRIUS: Το λαμπρότερο φως συγχρότρου στον κόσμο

Φωτογραφία της πολιτικής δομής του Sirius από ψηλά

Πήρε το όνομά του από το λαμπρότερο αστέρι του νυχτερινού ουρανού, Sirius είναι μία από τις πρώτες πηγές συγχρότρου τέταρτης γενιάς στον κόσμο και βρίσκεται στην πόλη Campinas στην πολιτεία São Paulo της Βραζιλίας.

Ο πιο πολύπλοκος και ο μεγαλύτερος εξοπλισμός που έχει κατασκευαστεί ποτέ στη χώρα, το Sirius, θα επιτρέψει στους επιστήμονες να αναπτύξουν έρευνα αιχμής. Αναμένονται επαναστατικές ανακαλύψεις σε διάφορους τομείς όπως η ενέργεια, το περιβάλλον, η υγεία μεταξύ άλλων. Το Sirius έχει σχεδιαστεί για να έχει - όπως ακριβώς και το αστέρι - το λαμπρότερο φως από όλον τον εξοπλισμό του είδους του. Και είναι έτοιμο να χρησιμοποιηθεί.

Το Sirius βρίσκεται μέσα σε ένα μεγάλο ιδιωτικό ίδρυμα που ονομάζεται Βραζιλιάνικο Κέντρο Έρευνας για την Ενέργεια και τα Υλικά (CNPEM), το οποίο τελεί υπό την εποπτεία του Υπουργείου Επιστημών, Τεχνολογίας και Καινοτομίας της Βραζιλίας (MCTI).

Το ίδρυμα οδηγεί άλλα τέσσερα εθνικά εργαστήρια. Ως μη κερδοσκοπικό ίδρυμα που επικεντρώνεται στην έρευνα και την ανάπτυξη, το CNPEM έχει ως αποστολή την υποστήριξη της καινοτομίας σε διάφορους τομείς όπως τα υλικά, η υγεία, τα τρόφιμα, το περιβάλλον, η ενέργεια και πολλά άλλα. Το CNPEM είναι σε θέση να ενσωματώσει την επιστημονική και τεχνολογική γνώση από όλα τα εθνικά εργαστήρια.

Λειτουργώντας σαν ένα (τεράστιο) μικροσκόπιο, ο Σείριος καλύπτει ένα μεγάλο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το φως του φτάνει από τα υπέρυθρα κύματα μέχρι το υπεριώδες και περιλαμβάνει επίσης τις ακτίνες Χ. Εξοπλισμένο με όλα αυτά, το Sirius θα είναι σε θέση να αποκαλύψει πολλά χαρακτηριστικά υλικών, σε μοριακό και ατομικό επίπεδο, και να εξετάσει ακόμη και ηλεκτρονικές δομές.

Αυτό επιτρέπει διεπιστημονική έρευνα που θα απαντήσει σε ακαδημαϊκά και βιομηχανικά ερωτήματα. Για την παραγωγή του φωτός σύγχροτρον, φορτισμένα σωματίδια - όπως τα ηλεκτρόνια - επιταχύνονται δίπλα στην ταχύτητα του φωτός σε μια διαδρομή που ελέγχεται από μαγνητικά πεδία.

Σήμερα, υπάρχουν περισσότερες από μία εγκαταστάσεις ανάλογες του Sirius στον κόσμο, όπως η Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) που βρίσκεται στη Γαλλία. Και πριν από το Sirius, το ίδρυμα CNPEM έκανε χρήση ενός άλλου παρόμοιου εξοπλισμού, της πρώτης βραζιλιάνικης πηγής φωτός συγχρότρου - γνωστής ως UVX -. πολύ μικρότερο από το Sirius, με υψηλή αξιοπιστία και σταθερότητα. Ωστόσο, όταν το Sirius ολοκληρώθηκε, ο εξοπλισμός έκλεισε. Με την πάροδο των ετών οι επιστήμονες χρειάζονταν περισσότερες πληροφορίες από αυτές που μπορούσε να παρέχει το UVX, φτάνοντας στα όρια του φυσικού χώρου και των τεχνικών δυνατοτήτων του.

Με βάση το χρονοδιάγραμμα, η πρώτη συζήτηση για το έργο Sirius έγινε το 2003, με το έργο να αρχίζει να παίρνει μορφή. Η κατασκευή των κτιριακών εγκαταστάσεων ξεκίνησε το 2015 και το 2018 έγιναν τελικά τα εγκαίνια.

Αν και το κτίριο είχε τελειώσει, το επόμενο στάδιο της τοποθέτησης όλου του εξοπλισμού στο εσωτερικό ήταν μόνο η αρχή.

Διαφορετικά από το UVX που μπορούσε να αναλύσει υλικά μόνο σε επιφανειακά επίπεδα, η ενέργεια που παράγεται από το Sirius μπορεί να διεισδύσει σε σκληρά και στερεά υλικά σε βάθος εκατοστών.

"Ήταν σαν να τραβάμε μια φωτογραφία σε χαμηλό φωτισμό - λέει ο Antonio José Roque da Silva, φυσικός, διευθυντής του CNPEM και του SIRIUS σε δήλωσή του σχετικά με το UVX. "Ο Σείριος έχει μεγαλύτερη ένταση φωτός και εξαιτίας αυτού θα καταγράψει με ταχύτερο τρόπο, σαν ταινία αντί για φωτογραφία".

Ο Σείριος θα έχει δύο φορές περισσότερη ενέργεια και 360 φορές λιγότερη εκπομπή, γεγονός που οδηγεί σε διαφορετικές συχνότητες φωτός ένα δισεκατομμύριο φορές πιο φωτεινές από την UVX.

Όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας του εξοπλισμού, αυτή είναι η βασική δομή του Sirius:

Η βασική δομή της Πηγής Φωτός Συγχρότρου, ουσιαστικά, αποτελείται από δύο μεγάλα σύνολα επιταχυντών σωματιδίων, τους Σύστημα έγχυσης και το Δαχτυλίδι αποθήκευσης.

Το Σύστημα Έγχυσης περιλαμβάνει τον Γραμμικό Επιταχυντή ή Linac και το Σύγχροτρον Έγχυσης ή Booster.

Και τα δύο μαζί έχουν το ρόλο της παραγωγής της δέσμης ηλεκτρονίων και της επιτάχυνσης έως ότου φτάσει στο επίπεδο ενέργειας που απαιτείται για να λειτουργήσει στον δακτύλιο αποθήκευσης.

Επιπλέον, περιλαμβάνονται δύο γραμμές μεταφοράς, η μία μεταφέρει τη δέσμη ηλεκτρονίων από το Linac στον Booster και η άλλη από τον Booster στον δακτύλιο αποθήκευσης.

Το Linac παράγει παλμό ρεύματος με παλμικό τρόπο, συγκεκριμένα δύο παλμούς ανά δευτερόλεπτο, και στη συνέχεια ο παλμός ρεύματος που παράγεται εγχέεται στον Booster.

Μόλις εισέλθουν στον ενισχυτή, οι δέσμες ηλεκτρονίων επιταχύνονται μέχρι να φτάσουν στο επίπεδο ενέργειας που απαιτείται για να εγχυθούν στον δακτύλιο αποθήκευσης.

Με τη σειρά του, ο δακτύλιος αποθήκευσης, ο οποίος είναι ο κύριος επιταχυντής, υπεύθυνος για τη διατήρηση της δέσμης ηλεκτρονίων αποθηκευμένης για μεγάλα χρονικά διαστήματα, είναι το σημείο όπου παράγεται τελικά το φως σύγχροτρον.

Επιπλέον, για τον έλεγχο της πορείας της δέσμης ηλεκτρονίων, θα χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός διαφορετικών μαγνητών που παράγουν μαγνητικό πεδίο, ή μαγνητικό πλέγμα, για να διατηρηθεί η εστίαση και να διορθωθεί η πορεία της δέσμης ηλεκτρονίων.

Στο τέλος, το φως του συγχρότρου θα είναι διαθέσιμο σε πειραματικούς σταθμούς που θα βρίσκονται γύρω από τον δακτύλιο αποθήκευσης, οι οποίοι ονομάζονται Beamlines - εκεί οι επιστήμονες θα τοποθετούν τα δείγματα των υλικών τους και θα παράγουν δεδομένα για την περαιτέρω μελέτη τους.

Χάρτης του Σείριου με διαφορετικά χρώματα που δείχνουν κάθε περιοχή του εξοπλισμού

Η παραπάνω εικόνα - διαθέσιμη στην ιστοσελίδα του CNPEM - δείχνει μια απεικόνιση του SIRIUS, όπου ο δακτύλιος αποθήκευσης που αντιπροσωπεύεται από τον μπλε κύκλο έχει περιφέρεια περίπου 518 μέτρα, ενώ ο Booster που εμφανίζεται με πορτοκαλί χρώμα έχει περιφέρεια περίπου 496 μέτρα.

Το Linac, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ μικρότερο σε μέγεθος, με μόνο 32 μέτρα, που αντιπροσωπεύεται από τη ροζ γραμμή.

Έτσι, αυτές οι πηγές συγχρότρου τέταρτης γενιάς θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να εμβαθύνουν -κυριολεκτικά- στην έρευνά τους, αποκτώντας χώρο και καλύτερα εργαλεία για την ανάλυση πολύπλοκων θεμάτων.

Για παράδειγμα, η πιο προηγμένη ανάλυση του εδάφους θα αυξήσει τις γνώσεις σχετικά με την ανάπτυξη λιπασμάτων, οδηγώντας στην παραγωγή λιγότερο τοξικών γεωργικών προϊόντων, προς όφελος της ανθρώπινης υγείας και του περιβάλλοντος.

Ομοίως, το Sirius θα επιτρέψει επίσης στους επιστήμονες να αναπτύξουν νέα υλικά λόγω της πληρέστερης μελέτης των δομών των νανοσωματιδίων.

Στις 21 Οκτωβρίου 2020, η πρώτη γραμμή δέσμης Sirius με την ονομασία Manacá άνοιξε για ερευνητική χρήση. Η γραμμή αυτή προορίζεται να επικεντρωθεί στα μακρομόρια, μελετώντας τις πρωτεΐνες και τις αλληλεπιδράσεις τους με τα φάρμακα.

Στο μέλλον, πέντε ακόμη γραμμές δέσμης θα είναι ανοικτές προς χρήση, οι οποίες θα ονομάζονται Carnaúba, Cateretê, Ema, Ipê και Mogno. Κάθε μία από αυτές θα επικεντρώνεται σε έναν συγκεκριμένο τύπο ανάλυσης. Σήμερα οι εν λόγω γραμμές δέσμης βρίσκονται σε προχωρημένο στάδιο εγκατάστασης και μέχρι το τέλος του 2021 θα πρέπει να έχουν ολοκληρωθεί ορισμένες από αυτές.

Συνολικά, η δομή Sirius θα διαθέτει 14 σταθμούς εργασίας. Το πλήρες έργο περιλαμβάνει άλλες επτά γραμμές δέσμης, οι οποίες αναμένεται να εγκαινιαστούν το 2021. Ωστόσο, ο αριθμός των γραμμών δέσμης μπορεί να επεκταθεί σταδιακά, φτάνοντας έως και 40 πειραματικούς σταθμούς.

Δείτε ένα βίντεο για την κατασκευή του Sirius εδώ, με μαρτυρίες και εξηγήσεις απευθείας από τους εμπλεκόμενους μηχανικούς.

Και επίσης μπορείτε να επισκεφθείτε Επίσημος δικτυακός τόπος CNPEM το οποίο έχει όλες τις πληροφορίες σχετικά με το σχέδιο SIRIUS.

Τελικά, ο Σείριος δημιουργεί προσδοκίες όχι μόνο για τους Βραζιλιάνους επιστήμονες, αλλά ο ενθουσιασμός για την πρόοδο της έρευνας διαχέεται σε όλο τον κόσμο. Εμπρός επιστήμη!

Επιπλέον, γνωρίζετε ότι μπορείτε να ανεβάσετε μια εικόνα από τον υπολογιστή σας και να τη χρησιμοποιήσετε στο infographic σας; Ναι, μπορείτε!

Έτσι έφτιαξα το infographic μου σε αυτό το άρθρο! Πολύ ωραίο, έτσι δεν είναι;

Ας πάμε λοιπόν στο Mind the Graph, και ξεκινήστε το νέα δημιουργία!

SIRIUS: Το πιο λαμπρό αστέρι στη Βραζιλία

Εγγραφείτε στο ενημερωτικό μας δελτίο