Apresentamos neste post um CASE de sucesso tecnológico da CNPEM (Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais) sobre o projeto Sirius, um avançado acelerador de partículas de 4ª geração localizado no Brasil. O autor, Vitor Pereira Soares, é membro do grupo Magnets do CNPEM, e descreve a modelagem magnética utilizada no design de uma superbend com tecnologia de ímãs permanentes, utilizando o software Simcenter MAGNET da Siemens. A superbend desempenha um papel crucial no acelerador Sirius, permitindo o guia dos elétrons e a emissão de luz síncrona. A utilização dessa tecnologia inovadora demonstra o compromisso do CNPEM em adotar e desenvolver tecnologias de ponta. A seguir, você encontrará todos os detalhes desse projeto e como o Simcenter MAGNET contribuiu para o sucesso do mesmo.
Modelagem magnética para o design de uma superbend com tecnologia de imãs permanentes
Otimizando o fluxo magnético e a energia crítica no acelerador de partículas brasileiro com o Simcenter MAGNET
O Projeto Sirius do CNPEM é um acelerador de partículas de 4ª geração, apresentando uma das fontes de luz síncrona mais avançadas do mundo. A superbend do Sirius desempenha um papel crucial ao guiar os elétrons no acelerador e permitir a emissão de luz. Para projetar a superbend, o CNPEM adotou uma abordagem inovadora, utilizando a tecnologia de ímãs permanentes e otimizando-a com o software Simcenter MAGNET da Siemens. O resultado é um dipolo magnético capaz de gerar campos magnéticos mais fortes, demonstrando o compromisso do CNPEM em adotar e desenvolver tecnologia de ponta.
Introdução
O Projeto Sirius é um marco na pesquisa científica brasileira, abrindo novas perspectivas para a pesquisa em áreas como ciência dos materiais, nanotecnologia, física e muitos outros.
Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM)
No final da década de 1980, pesquisadores brasileiros construíram a primeira fonte de luz síncrotron do hemisfério sul no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Este acelerador de partículas visava avançar campos tecnológicos críticos no Brasil. Após décadas de conhecimento acumulado, o Projeto Sirius foi desenvolvido como um sucessor incrivelmente sofisticado do acelerador original, com competitividade mundial. Espera-se que o Sirius facilite centenas de projetos de pesquisa acadêmica e industrial anualmente, envolvendo milhares de pesquisadores, e contribua para a solução de desafios científicos e tecnológicos significativos, como desenvolvimento de novos medicamentos e tratamentos para doenças, criação de novos fertilizantes, cultivo de espécies vegetais mais resistentes e adaptáveis, e tecnologias inovadoras para agricultura, fontes de energia renováveis e muitas outras aplicações potenciais com impactos econômicos e sociais significativos.
Auxiliando na construção deste acelerador de quarta geração, o Simcenter MAGNET foi empregado para projetar os ímãs e onduladores.
Projeto Sirius
Sirius é uma das maiores e mais poderosas máquinas de seu tipo no mundo. Possui um feixe de energia de 3 bilhões de elétrons-volts, e seu conjunto de ímãs, como o superbend e o ondulador delta, desenvolvidos com o software Simcenter MAGNET, permite fornecer raios-X duros em uma energia crítica de 19keV, aumentando sua a confiabilidade e abrindo novos horizontes de experimentação.
Funcionamento do Sirius
O feixe de elétrons é gerado pelo aquecimento de uma liga metálica, excitando os elétrons do material, que são enviados para uma estrutura de aceleração e para um anel armazenador. Os elétrons viajam em tubos de vácuo quase à velocidade da luz, e suas trajetórias são guiadas por campos magnéticos, fornecidos por ímãs multipolares ao longo do caminho, como o dipolo superbend; a rede magnética de Sirius é composta por mais de mil ímãs.
Rede magnética de Sirius e sua composição magnética: dipolo, quadrupolos e sextupolos; no canto inferior direito está o dispositivo de inserção
Luz síncrotron
Sirius é uma máquina que acelera elétrons para produzir a chamada "luz síncrotron", usada para estudar as estruturas atômicas da matéria. A luz síncrotron é um tipo de radiação eletromagnética, composta por frequências que vão do infravermelho aos raios-X. Os dispositivos de inserção, estruturas magnéticas compostas por vários campos dipolares alternados, como os Onduladores Delta (também projetados com ímãs permanentes) em desenvolvimento, permitem uma luz um milhão de vezes mais brilhante do que a de seu acelerador antecessor (UVX), e expande seu alcance para os raios-X duros que permitem que a penetração em materiais ainda mais espessos.
Benefícios da luz síncrotron
Permite o estudo de estruturas atômicas e moleculares;
O amplo espectro da luz síncrotron permite uma larga gama de análises;
O alto brilho torna os resultados e a investigação do material muito rápidos;
Permite o projeto de novos materiais com propriedades específicas.
A superbend magnética
Um novo modelo para dipolos Sirius assume a forma de uma superbend: um dipolo magnético permanente à temperatura ambiente, capaz de fornecer raios-X duros com uma energia crítica de 19 keV. O software Simcenter MAGNET foi utilizado para projetar e estudar o comportamento do fluxo magnético nos dipolos.
Este é o primeiro dipolo deste tipo a usar ímãs permanentes. A experiência com ímãs permanentes remonta a 2005, com o projeto de um ondulador elíptico polarizador para produzir radiação. Ao longo dos anos o conhecimento foi amadurecendo e um dipolo de alto campo foi proposto, um dipolo de ímãs permanentes de 2T capaz de atingir uma energia crítica crítica de 12 keV na produção de luz. Após algumas revisões do projeto, a superbend projetada com o MAGNET expandiu essa capacidade para um campo magnético máximo de 3,18 T e produção de luz síncrotron de 19keV.
Dipole main parameters | |
|---|---|
Number of Dipoles | 20 |
Magnetic Material | NdFeB |
Remanent Field (T) | 1.36 |
Intrinsic Coercive Force (Hcj) (kA/m) | >1590 |
High Field Pole Material | Iron-Cobalt |
Low Field Pole and Core Material | 1006 Carbon Steel |
Maximum Field (T) | 3.18 |
Critical Photon Energy (keV) | 19 |
Angular Deflection (°) | 4.3 |
Integrated Field (T·m) | -0.7504 |
Integrated Gradient (T) | 62.511 |
Length (mm) | 913 |
High Field Sector Mean Gap (mm) | 11 |
Low Field Sector Mean Gap (mm) | 31 |
O maior "brilho" permite o estudo de materiais mais densos. A atualização do projeto da superbend, além de aumentar a energia crítica da luz, aumenta em um fator de 40 o fluxo de fótons em altas energias; o aprimoramento torna a luz gerada capaz de penetrar mais profundamente e com uma resolução maior do que os antigos dipolos.
A forma em C facilita o acesso para medições e manutenção, e os blocos de fluxo de retorno na lateral do ímã podem ser movidos para alterar o espaço de ar entre eles. Esta folga de controle pode ser ajustada mesmo após a instalação dos ímãs na rede e será usada em caso de desmagnetização dos blocos magnéticos permanentes.
Projeto magnético do superbend
Um ímã especial NdFeB com maior coercividade, revestido com NICUNI + Epóxi, com tolerância mecânica de ±0,05 mm para as dimensões do bloco e tolerâncias de magnetização de 1° na direção e 0,1% na amplitude, é usado no ímã para permitir a montagem de alta precisão e repetibilidade de campo integrado para todos os ímãs.
Projeto magnético
Vários delineamentos foram avaliados para o dipolo central da rede Sirius. Devido à interação entre os ímãs, decidiu-se usar um núcleo compartilhado para três dipolos, formando um único dipolo referido como BC.
O setor de alto campo BC é formado por um polo de Ferro-Cobalto cercado por blocos magnéticos permanentes NdFeB. Devido à saturação do polo, é possível obter valores de densidade de fluxo magnético maiores que a magnetização remanescente dos blocos. O ferro-cobalto foi escolhido por apresentar maior magnetização de saturação que o aço carbono. Além disso, a união dos três dipolos em um único ímã economizou espaço e permitiu a colocação de blocos magnéticos permanentes no espaço entre os setores de alto e baixo campo para aumentar o fluxo no polo Ferro-Cobalto. Essas mudanças fizeram com que a densidade máxima de fluxo magnético do setor de alto campo aumentasse de 2 T para 3,18 T, o que aumentou a energia crítica dos fótons de 12 keV para 19 keV.
O addon do MAGNET para otimização de projeto possibilita o uso de algoritmos avançados que podem encontrar valores ótimos para diferentes variáveis de projeto nas restrições especificadas. O recurso foi usado para modelar a geometria dos ímãs permanentes não apenas na curva BC da superbend, mas também nos outros ímãs do sistema, como os demais dipolos, quadrupolos e sextupolos.
Simcenter MAGNET Suite
MAGNET é uma poderosa ferramenta de simulação de campo eletromagnético para prever com precisão o desempenho de qualquer componente com ímãs permanentes ou bobinas. Sua modelagem avançada de materiais considera nãolinearidades, dependências de temperatura, desmagnetização de ímãs permanentes, perda de histerese e efeitos anisotrópicos. Esse recurso permite a análise de vários efeitos, como a desmagnetização de ímãs permanentes, a verificação de sua vida útil, a análise de perdas dependentes da frequência em peças finas, reduzindo o tempo de solução, e contabilizando todas as perdas para um balanço de energia preciso. Além disso, o MAGNET oferece uma interface amigável e intuitiva, permitindo que os usuários realizem análises detalhadas, otimizem seus projetos e obtenham resultados precisos eficientemente.
Análise de densidade de fluxo no Simcenter MAGNET
As simulações magnéticas foram realizadas utilizando o software Simcenter MAGNET. A simulação investiga o perfil longitudinal da densidade de fluxo magnético do dipolo. Com o gradiente longitudinal obtido com esta nova versão foi possível reduzir a emitância do feixe em aproximadamente 10%. A tabela abaixo resume os resultados da simulação para a variação das componentes de campo magnético do dipolo e quadrupolo dado o deslocamento dos polos de baixo campo e polos flutuantes. Como visto, o deslocamento transversal dos polos de baixo campo pode ser usado para ajustar o campo integrado do ímã. Embora esse deslocamento também afete o gradiente quadripolar, este componente pode ser corrigido com a rotação dos polos flutuantes. Com o fechamento da folga de controle, cujo valor nominal é de 3,2 mm, é possível obter um aumento de 0,1% tanto no componente integrado do campo dipolo quanto no quadrupolo.
Densidade de fluxo magnético vertical simulada na posição transversal central da superbend.
Conclusão
O uso de ímãs permanentes na nova tendência de aceleradores de campos mais altos é uma opção viável. Vários projetos de ímãs permanentes foram propostos e prototipados e o dipolo superbend está instalado na rede Sirius. O modelo magnético e mecânico foram cuidadosamente planejados assumindo altos desafios na montagem e medições, bem como os possíveis efeitos da variação de temperatura. Os danos causados pela radiação também foram considerados, e o SmCo foi uma opção, mas o NdFeB oferece maior campo e está sendo usado em dispositivos de inserção há muito tempo. Também foi importante considerar algumas flexibilidades no modelo para compensar possíveis variações na permeabilidade dos materiais, magnetização dos blocos dos ímãs permanentes, temperatura e erros mecânicos. O projeto foi um sucesso e o Sirius está operando com as superbend de 3,2 T há mais de dois anos.
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Superbend instalada | Diferença entre o fluxo magnético vertical medido e simulado |
Sobre o autor
Vitor Pereira Soares é bacharel em física pela Unicamp e técnico em mecatrônica. Ingressou no CNPEM em 2011, tendo participado de diversos projetos de pesquisa e desenvolvimento em instrumentação científica. Atualmente é membro do grupo Magnets, onde trabalha no desenvolvimento de dispositivos de inserção e sistemas de caracterização magnética.
Referências:
J. Citadini, L. N. P. Vilela, R. Basilio and M. Potye, "Sirius-Details of the New 3.2 T Permanent Magnet Superbend," in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 28, no. 3, pp. 1-4, April 2018, Art no. 4101104, doi: 10.1109/TASC.2017.2786270.
L. N. P. Vilela et al., "Status Report of Sirius Delta Undulator," in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 6, pp. 1-5, Sept. 2022, Art no. 4101305, doi: 10.1109/TASC.2022.3160941.
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