SIRIUS: Världens ljusstarkaste synkrotronljus

Uppkallad efter den klaraste stjärnan på natthimlen, Sirius är en av de första fjärde generationens synkrotronljuskällor i världen och ligger i staden Campinas i delstaten São Paulo i Brasilien.

Den mest komplexa och största utrustning som någonsin byggts i landet, Sirius, kommer att göra det möjligt för forskare att utveckla spetsforskning. Banbrytande upptäckter förväntas inom olika områden som energi, miljö, hälsa med flera. Sirius är utformad för att - precis som stjärnan - ha det starkaste ljuset av all utrustning i sitt slag. Och den är redo att användas.

Sirius är placerad i en stor och privat institution som heter Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM) och som står under tillsyn av det brasilianska ministeriet för vetenskap, teknik och innovationer (MCTI).

Institutionen driver även fyra andra nationella laboratorier. CNPEM är en icke-vinstdrivande institution med fokus på forskning och utveckling och har till uppgift att stödja innovation inom olika områden som material, hälsa, livsmedel, miljö, energi och mycket mer. CNPEM kan integrera vetenskaplig och teknisk kunskap från alla sina nationella laboratorier.

Sirius fungerar som ett (enormt) mikroskop och täcker en stor del av det elektromagnetiska spektrumet, dess ljus går från infraröda vågor till ultraviolett och inkluderar även röntgenstrålning. Utrustad med allt detta kommer Sirius att kunna avslöja många materialegenskaper på molekylär och atomär nivå, och även undersöka elektroniska strukturer.

Detta möjliggör tvärvetenskaplig forskning som kommer att besvara akademiska och industriella frågor. För att producera synkrotronljuset accelereras laddade partiklar - t.ex. elektroner - till nästan ljusets hastighet i en bana som styrs av magnetfält.

Idag finns det mer än en utrustning i världen som är analog med Sirius, till exempel European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike. Och innan Sirius använde institutionen CNPEM en annan liknande utrustning, den första brasilianska synkrotronljuskällan - känd som UVX mycket mindre än Sirius, med hög tillförlitlighet och stabilitet. När Sirius var klar stängdes dock utrustningen av. Under årens lopp behövde forskarna mer information än vad UVX kunde tillhandahålla, och man nådde gränserna för det fysiska utrymmet och den tekniska kapaciteten.

I en tidslinje var den första diskussionen om Siriusprojektet 2003, då projektet började ta form. Byggandet av anläggningen påbörjades 2015 och 2018 invigdes den slutligen.

Även om byggnaden var färdigställd, nästa steg är att placera all utrustning inuti var bara början.

Till skillnad från UVX som endast kan analysera material på ytliga nivåer, kan Sirius genererade energi tränga in i hårda och solida material med ett djup på flera centimeter.

"Det var som att ta en bild i svagt ljus - säger Antonio José Roque da Silva, fysiker, chef för CNPEM och SIRIUS i ett uttalande om UVX. "Sirius har mer ljusintensitet, och därför kommer den att fånga ljuset på ett snabbare sätt, som en film istället för ett foto".

Sirius kommer att ha två gånger mer energi och 360 gånger mindre emittans, vilket leder till olika ljusfrekvenser som är en miljard gånger ljusare än UVX.

När det gäller hur utrustningen fungerar är detta Sirius grundstruktur:

Synkrotronljuskällans basstruktur består i huvudsak av två stora uppsättningar partikelacceleratorer, nämligen Insprutningssystem och Ring för lagring.

Injektionssystemet omfattar den linjära acceleratorn, eller Linac, och injektorsynkrotronen, eller Booster.

Tillsammans har de båda till uppgift att producera elektronstrålen och accelerera den tills den når den energinivå som krävs för att fungera i lagringsringen.

Dessutom ingår två transportlinjer, en som överför elektronstrålen från Linac till Booster och den andra från Booster till lagringsringen.

Linac producerar en strömpuls på ett pulsat sätt, närmare bestämt två pulser per sekund, och sedan injiceras den producerade strömpulsen i Boostern.

I boostern accelereras elektronstrålarna tills de når den energinivå som krävs för att injiceras i lagringsringen.

Lagringsringen, som är huvudacceleratorn med ansvar för att hålla elektronstrålen lagrad under långa perioder, är i sin tur den plats där synkrotronljuset slutligen produceras.

För att styra elektronstrålens väg kommer dessutom en kombination av olika magneter som skapar ett magnetfält - eller ett magnetiskt gitter - att användas för att bibehålla fokus och korrigera elektronstrålens väg.

I slutändan kommer synkrotronljuset att vara tillgängligt i experimentstationer som är placerade runt lagringsringen, så kallade Beamlines - det är här forskarna kommer att placera sina materialprover och producera data för att studera dem ytterligare.

Sirius-karta med olika färger som visar varje region i utrustningen

Bilden ovan - som finns tillgänglig på CNPEM:s webbplats - visar en illustration av SIRIUS, där lagringsringen som representeras av den blå cirkeln har en omkrets på ca 518 meter, medan boostern som visas i orange har en omkrets på ca 496 meter.

Linac, å andra sidan, är mycket mindre i storlek, med bara 32 meter, vilket representeras av den rosa linjen.

Fjärde generationens synkrotronljuskällor kommer alltså att hjälpa forskare att gå djupare - bokstavligen - i sin forskning och få utrymme och bättre verktyg för att analysera komplexa ämnen.

Till exempel kommer mer avancerade jordanalyser att öka kunskapen om utvecklingen av gödselmedel, vilket leder till produktion av mindre giftiga jordbruksprodukter, vilket gynnar människors hälsa och miljön.

På samma sätt kommer Sirius också att göra det möjligt för forskare att utveckla nya material tack vare en mer fullständig studie av nanopartikelstrukturer.

Den 21 oktober 2020 öppnades det första Sirius strålröret kallat Manacá för forskningsanvändning. Detta strålrör är avsett att fokusera på makromolekyler, studera proteiner och deras interaktioner med mediciner.

I framtiden kommer ytterligare fem strålrör att vara öppna för användning, kallade Carnaúba, Cateretê, Ema, Ipê och Mogno. Vart och ett av dem kommer att fokusera på en specifik typ av analys. Idag befinner sig dessa strålrör i ett avancerat installationsskede, och i slutet av 2021 bör några av dem vara färdigbyggda.

Totalt kommer Sirius-strukturen att ha 14 arbetsstationer. Det kompletta projektet omfattar sju andra strålrör, som förväntas öppnas 2021. Antalet strålrör kan dock gradvis utökas och nå upp till 40 experimentstationer.

Kolla in en video om Sirius konstruktion här, med vittnesmål och förklaringar direkt från de inblandade ingenjörerna.

Och du kan också besöka CNPEM:s officiella webbplats som innehåller all information om SIRIUS-projektet.

I slutändan har Sirius förväntningar inte bara på brasilianska forskare, utan på framsteg inom forskningen över hela världen. Heja vetenskapen!

Visste du dessutom att du kan ladda upp en bild från din dator och använda den i din infografik? Ja, det kan du!

Det var så jag gjorde min infografik i den här artikeln! Väldigt coolt, eller hur?

Så, låt oss gå till Mind the Graph, och starta din ny skapelse!

SIRIUS: Den klarast lysande stjärnan i Brasilien

Prenumerera på vårt nyhetsbrev