Introdução
Nas linhas de luz, elementos optomecânicos, tais como monocromadores, espelhos, fendas e monitores de posição, definem em grande medida as características e a estabilidade do feixe que sofrerá interação com as amostras. Além disso, as estruturas das bancadas das estações experimentais são de fundamental importância para garantir a estabilidade dos experimentos.
A figura 1 mostra as estações experimentais atuais de duas linhas de luz do LNLS, DXAS e IMX, com destaque para as estruturas de blocos de granito sobre estruturas metálicas de ferro fundido.
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Figura 1: Monocromador (esquerda) e suporte para máscaras e BPM’s (direita) na linha de luz ID16 do ESRF (Grenoble, França).
Para o Sirius, contudo, este tipo de solução é insuficiente. De fato, os experimentos propostos para as futuras linhas de luz colocam exigências críticas sobre a estabilidade, térmica e mecânica, da grande maioria de seus componentes. Com linhas de luz de mais de cem metros de comprimento e feixes de luz (spots) tão pequenos quanto poucas dezenas de nanômetros (isto é, da ordem de 0,00001 mm), esses componentes devem ser montados sobre estruturas rígidas e estáveis, e condicionados em ambientes com temperatura estabilizada em torno de 0.1˚C.
Em laboratórios similares ao Sirius, o estado da arte em termos de estabilidade mecânica é alcançado por meio de grandes peças de granito, material com reconhecida estabilidade para fins de metrologia mecânica. Além do granito, materiais com propriedades similares, como granito sintético e concreto polimérico, são frequentemente utilizados e, eventualmente, tipos especiais de concreto também são aplicados. Alguns exemplos de aplicações são exibidos na figura 2, a seguir:
Figura 2: Componentes ópticos na linha de luz ID16 do ESRF na França: monocromador (esquerda) e suporte para máscaras e BPM’s (centro). Na linha de luz NanoXAS do SLS na Suíça, à direita.
Parâmetros Técnicos
Algumas das principais razões que norteiam a escolha de granitos para a manufatura de sistemas que requerem precisão e estabilidade são: estabilidade dimensional, com estrutura livre de tensões internas, baixo coeficiente de expansão térmica, resistência a ácidos e oxidação, e resistência a desgaste; inexistência de rebarbas; dureza comparável à de aços temperados; elasticidade comparável à do ferro fundido; densidade comparável à do alumínio; isolação elétrica; e, muitas vezes, insensibilidade magnética. Os granitos permitem ainda qualidades de acabamento superficial particularmente atraentes, seguindo geralmente a norma DIN 876.
Por outro lado, conforme visto na tabela 1, felizmente novas tecnologias, como concretos poliméricos, têm conseguido propriedades similares às do granito natural, e com potencial de superação. Do ponto de vista dinâmico, as características de resposta de estruturas são essencialmente determinadas pelas propriedades de massa e rigidez, responsáveis pela energia armazenada no sistema, e amortecimento, responsável pela perda de energia do sistema. Sistemas de maior massa e compostos por materiais com módulos de elasticidade maiores podem atingir ressonâncias em frequências mais altas, o que reduz o risco de amplificação de vibrações inevitavelmente presentes no solo e advindas de fontes próximas. Propriedades de amortecimento, mostradas na figura 3, por sua vez, absorvem energia e reduzem a amplitude de picos de ressonância. Do ponto de vista térmico, é preciso que os materiais tenham baixo coeficiente de expansão térmico e baixo coeficiente de condução térmica, atuando como isoladores.
