Celestre - SR_LNLS Bachelor Thesis

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    13-Dec-2015

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Optical characteristics, i.e. photon flux, brightness, brilliance , coherence, polarization, etc., as well as spatial and angular dimensions from the photon beam are parameters of great importance regarding raytracing simulations as they determine the quality of the X -ray source for photon experiments. Accurate computation of such parameters are of paramount importance for X-ray beamline projects from the new light source Sirius, Campinas, Brazil, where energy spread effects show great influence on the photon beam, being able to cause discrepancies between observed and simulated results.The observation and systematic study of the energy spread effect on photon beams are quite recent, given that it is relevant only in low emittance (high brilliance) sources or at free el ectron lasers (FELs) facilities [1]. Aiming to address correctly to this effect at undulator insertion devices, a computer code that handles finite emittance effects and energy spread was written in MATLAB in order to aid the calculation of optical characteristics, spatial and angular profiles of the photon beam. Comparisons between the results from the proposed code and already-stablished-codes that handle the energy spread effect were held for benchmarking. The computer codes used are SPECTRA10 and SRW.SR_LNLS was written in MATLAB and could be implemented in Python to provide input parameters to be used by the ray-tracing program SHADOW.

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<ul><li><p> TRABALHO DE FIM DE CURSO EA006 </p><p>SR_LNLS: UM CDIGO PARA COMPUTAO DE PARMETROS DE DISPOSITIVOS DE INSERO COM APLICAES S SIMULAES DE </p><p>RAY-TRACING PARA LINHAS DE LUZ DE RAIOS-X DUROS. </p><p>ALUNO: </p><p>RAFAEL RABELLO DE LIMA DE ALMEIDA CELESTRE , RA 082568 RAFAEL.CELESTRE@LNLS.BR </p><p>ORIENTADOR: </p><p>PROF. DR. EDUARDO GRANADO MONTEIRO DA SILVA EGRANADO@IFI.UNICAMP.BR </p><p>COORIENTADOR: </p><p>ENG. BERND CHRISTIAN MEYER BERND.MEYER@LNLS.BR </p><p> FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS </p><p> GRUPO DE PTICA, LABORATRIO NACIONAL DE LUZ SNCROTRON, CENTRO NACIONAL DE PESQUISAS EM ENERGIA E MATERIAIS DEPARTAMENTO DE ELETRNICA QUNTICA, INSTITUTO DE FSICA GLEB WATAGHIN, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS </p><p>CAMPINAS, 15 DE DEZEMBRO DE 2014</p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 2 - </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 3 - </p><p>ALUNO: </p><p>________________________________________________________________________________________________ </p><p>RAFAEL RABELLO DE LIMA DE ALMEIDA CELESTRE , RA 082568 RAFAEL.CELESTRE@LNLS.BR </p><p>ORIENTADOR: </p><p>________________________________________________________________________________________________ </p><p>PROF. DR. EDUARDO GRANADO MONTEIRO DA SILVA EGRANADO@IFI.UNICAMP.BR </p><p>COORIENTADOR: </p><p>________________________________________________________________________________________________ </p><p>ENG. BERND CHRISTIAN MEYER BERND.MEYER@LNLS.BR </p><p> FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS </p><p> GRUPO DE PTICA, LABORATRIO NACIONAL DE LUZ SNCROTRON, CENTRO NACIONAL DE PESQUISAS EM ENERGIA E MATERIAIS DEPARTAMENTO DE ELETRNICA QUNTICA, INSTITUTO DE FSICA GLEB WATAGHIN, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 4 - </p><p>SUMRIO </p><p>ABSTRACT .................................................................................................................................................. 6 </p><p>RESUMO ..................................................................................................................................................... 7 </p><p>OBJETIVO ................................................................................................................................................... 8 </p><p>INTRODUO .............................................................................................................................................. 9 </p><p>1. CARACTERSTICAS DA RADIAO SNCROTRON ............................................................................ 11 </p><p>1.1. RADIAO SNCROTRON ......................................................................................................... 11 </p><p>1.2. PARMETROS DO FEIXE DE ELTRONS .................................................................................. 13 </p><p>1.3. PARMETROS DO FEIXE DE FTONS ...................................................................................... 16 </p><p>2. ONDULADORES ................................................................................................................................ 20 </p><p>2.1. CARACTERSTICAS DO FEIXE DE FTONS ............................................................................... 20 </p><p>2.2. PROPRIEDADES DA RADIAO EMITIDA POR ONDULADORES PLANARES ............................. 25 </p><p>2.3. ONDULADORES NO PLANARES E DISPOSITIVOS NO CONVENCIONAIS .............................. 32 </p><p>3. MTODOS COMPUTACIONAIS ......................................................................................................... 38 </p><p>3.1. RAY TRACING ........................................................................................................................... 38 </p><p>3.2. CDIGOS PARA CERTIFICAO ............................................................................................... 39 </p><p>4. RESULTADOS ................................................................................................................................... 41 </p><p>4.1. APRESENTAO DO CDIGO SR_LNLS ................................................................................ 41 </p><p>4.2. PARMETROS DE SIMULAO ................................................................................................. 45 </p><p>4.3. RESULTADOS OBTIDOS COM O CDIGO SR_LNLS ............................................................... 47 </p><p>4.4. VALIDAO E CERTIFICAO DOS RESULTADOS ................................................................... 53 </p><p>5. MTODOS EXPERIMENTAIS PARA VALIDAO DOS RESULTADOS ................................................. 67 </p><p>5.1. MEDIDAS DA DISTRIBUIO ESPACIAL DO FLUXO DE FTONS .............................................. 67 </p><p>5.2. MEDIDAS DE EMITNCIA DO FEIXE DE FTONS ...................................................................... 68 </p><p>5.3. MEDIDAS DE COERNCIA DO FEIXE DE FTONS..................................................................... 69 </p><p>5.4. CARACTERIZAO DA POLARIZAO DO FEIXE DE FTONS .................................................. 69 </p><p>6. DISCUSSO DOS RESULTADOS ....................................................................................................... 70 </p><p>AGRADECIMENTOS .................................................................................................................................. 74 </p><p>REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................................................. 75 </p><p>A. APNDICE: ASPECTOS ACERCA DA DISTRIBUIO GAUSSIANA .................................................... 80 </p><p>B. APNDICE: EQUAO DE MOVIMENTO NO ONDULADOR ................................................................ 82 </p><p>C. APNDICE: EQUAO DO ONDULADOR .......................................................................................... 84 </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 5 - </p><p>D. APNDICE: SISTEMA PTICO DE MAGNIFICAO : ................................................................... 86 </p><p>E. APNDICE: TABELAS DE COMPARAO DOS RESULTADOS .......................................................... 87 </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 6 - </p><p>ABSTRACT </p><p>Optical characteristics, i.e. photon flux, brightness, brilliance1, coherence, polarization, etc., </p><p>as well as spatial and angular dimensions from the photon beam are parameters of great </p><p>importance regarding ray-tracing simulations as they determine the quality of the X-ray source </p><p>for photon experiments. Accurate computation of such parameters are of paramount </p><p>importance for X-ray beamline projects from the new light source Sirius, Campinas, Brazil, </p><p>where energy spread effects show great influence on the photon beam, being able to cause </p><p>discrepancies between observed and simulated results. </p><p>The observation and systematic study of the energy spread effect on photon beams are </p><p>quite recent, given that it is relevant only in low emittance (high brilliance) sources or at free </p><p>electron lasers (FELs) facilities. Aiming to address correctly to this effect at undulator insertion </p><p>devices, a computer code that handles finite emittance effects and energy spread was </p><p>proposed in order to aid the calculation of optical characteristics, spatial and angular profiles of </p><p>the photon beam. Comparisons between the proposed code and already-stablished-codes that </p><p>handle the energy spread effect were held for benchmarking. </p><p>1 There is little agreement when it comes to defining what should be called brightness and what should be called brilliance. For a better insight, refer to (TALMAN, 2006). </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 7 - </p><p>RESUMO </p><p>As caractersticas pticas, isto , fluxo de ftons, brilho, brilhncia2, coerncia, polarizao, </p><p>etc., bem como os perfis espaciais e angulares do feixe de ftons, so parmetros </p><p>importantes s simulaes de ray-tracing3 e determinam a qualidade da fonte de raios-X para </p><p>experimentos. A computao correta de tais caractersticas essencial para projetos de </p><p>linhas de luz da nova fonte de luz sncrotron Sirius, em Campinas, So Paulo, onde os efeitos </p><p>de disperso de energia, no feixe de eltrons, tm grande influncia no feixe de ftons, </p><p>podendo causar divergncias entre valores calculados e observados. </p><p>A observao do efeito de disperso de energia no feixe de ftons e seu estudo </p><p>sistemtico recente, uma vez que seu efeito observvel apenas em fontes de baixa </p><p>emitncia (alto brilho) e em fontes do tipo laser de eltrons livres (FELs). Com o intuito de </p><p>tratar corretamente esse efeito em dispositivos de insero do tipo ondulador, proposta a </p><p>escrita de um cdigo que leve em considerao efeitos de emitncia e disperso de energia </p><p>na computao das caractersticas pticas, perfis espaciais e angulares do feixe de ftons. </p><p>Comparaes entre as simulaes com o cdigo proposto e outros softwares que tratam o </p><p>efeito de disperso de energia sero feitas para validao do cdigo escrito. </p><p>2 Existe mais de uma definio para brilho e brilhncia de um feixe de raios-X. Uma discusso mais aprofundada sobre o tema pode ser encontrada em (TALMAN, 2006). 3 Ray-tracing, muitas vezes traduzido como traar de raios um jargo tcnico da rea de ptica e, portanto, no ser traduzido para o portugus. </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 8 - </p><p>OBJETIVO </p><p>Escrever um cdigo em MATLAB para a computao dos parmetros da radiao gerada </p><p>em dispositivos de insero do tipo ondulador, com aplicao em simulaes de ray-tracing </p><p>para projetos pticos de linhas de luz de raios-X duros. Os parmetros simulados do feixe de </p><p>ftons so: tamanho e divergncia natural do ondulador; tamanho e divergncia do feixe de </p><p>ftons gerados pelo dispositivo; fluxo de ftons por segundo e grandezas associadas ao fluxo, </p><p>isto , fluxo coerente, brilhncia e brilho em funo da energia (CLARKE, 2004). Esses </p><p>parmetros sero tratados levando-se em considerao o efeito de disperso de energia </p><p>como em (TANAKA &amp; KITAMURA, 2009). Para validao do cdigo, sero feitas comparaes </p><p>dos resultados com os obtidos e softwares que tratam esse efeito nos ftons de raios-X. Os </p><p>softwares escolhidos para validao so o SPECTRA (TANAKA &amp; KITAMURA, 2001) e o </p><p>Synchrotron Radiation Workshop (SRW) de (CHUBAR &amp; ELLEAUME, 1998). </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 6192 - 13083-970 - Campinas/SP - Fone: +55.19.3512.1010 | Fax: +55.19.3512.1004 | www.lnls.br </p><p> - 9 - </p><p>INTRODUO </p><p>Radiao sncrotron, aquela produzida por uma partcula carregada eletricamente </p><p>movendo-se com velocidades relativsticas em uma trajetria curva, e que prov uma fonte de </p><p>ftons intensa, sintonizvel e brilhante com uma ampla regio espectral, variando de alguns </p><p>poucos eltrons-volts a centenas de quiloeltrons-volts (KIM, 1995). A radiao produzida por </p><p>eltrons enquanto atravessam o campo magntico de um dipolo magntico era a fonte </p><p>primria de radiao em sncrotrons. Contudo, com o rpido desenvolvimento de anis de </p><p>armazenamento de eltrons exclusivamente dedicados produo de radiao sncrotron, um </p><p>novo tipo de dispositivo de gerao de ftons comeou a ser instalado, denominado </p><p>dispositivos de insero (DIs). </p><p>DIs so classificados em duas grandes categorias: onduladores e wigglers4. A primeira </p><p>um dispositivo que faz com que o feixe de eltrons siga uma trajetria suave, peridica e </p><p>ondulatria com a consequncia de que as frentes de onda da radiao emitida </p><p>sobreponham-se umas s outras, gerando padres de interferncia. Em alguns comprimentos </p><p>de onda a interferncia construtiva, causando um grande aumento na intensidade </p><p>observada, enquanto para outros comprimentos de onda, a interferncia destrutiva, gerando </p><p>consequentemente regies escuras no espectro. A segunda categoria um dispositivo de </p><p>insero chamado wiggler e tem um efeito mais acentuado sobre a trajetria dos eltrons, </p><p>fazendo com que oscilem de maneira mais forte, isto , com maior amplitude. Isso previne </p><p>que as frentes de onda sobreponham-se e consequentemente, nenhum efeito de interferncia </p><p>seja aparente (CLARKE, 2004). </p><p>Fontes modernas de radiao sncrotron, ou seja, fontes de terceira gerao com baixa </p><p>emitncia (anis de armazenamento limitados por difrao), como por exemplo, as fontes </p><p>MAX-IV, na Sucia (LEEMANN ET AL., 2009) e Sirius no Brasil (LIU ET AL., 2014b), alm de </p><p>lasers de eltrons livres (HUANG &amp; KIM, 2007), fontes de quarta gerao, fazem uso extensivo </p><p>de onduladores como seu principal dispositivo de insero. Com o uso de onduladores de </p><p>muitos perodos magnticos e, consequentemente longos, a disperso de energia do feixe de </p><p>eltrons tem um efeito no mais desprezvel no tamanho natural e na divergncia natural do </p><p>feixe de ftons e por consequncia, efeitos grandes nos clculos dos tamanhos e </p><p>divergncias do feixe de ftons do ondulador e seu brilho (TANAKA &amp; KITAMURA, 2009). </p><p>importante ressaltar que esse efeito observvel apenas para fontes com emitncia prxima </p><p>4 Wiggle um verbo da lngua inglesa que significa mover-se para cima e para baixo (ou de um lado para o outro) de maneira rpida e com pequenas amplitudes. Sua traduo, serpear, pouco usada na lngua corrente, causando mais confuso do que bom entendimento do termo. </p></li><li><p> O LNLS integra o CNPEM, Organizao Social qualificada pelo Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao (MCTI) Campus: Rua Giuseppe Mximo Scolfaro, 10.000 - Polo II de Alta Tecnologia </p><p>Caixa Postal 61...</p></li></ul>