Desafio 8: Câmaras de Vácuo para Elementos Ópticos

Introdução

Nas linhas de luz da nova fonte Sirius, as linhas de luz sincrotron necessitam de ambientes com pressões na faixa de ultra alto vácuo (UHV – 10-9 a 10-12mbar) e alto vácuo (HV – 10-3 a 10-8mbar). Por exemplo, a pressão de vácuo nos aceleradores deve ser a mais baixa possível (UHV) para que o feixe de elétrons tenha um nível aceitável de espalhamento devido ao choque com moléculas de gás e geração de radiação bremsstrahlung. Geralmente, as câmaras de vácuo dos aceleradores e linhas de luz (extração e condução da luz até as estações experimentais) são compostas de diferentes materiais e geometrias, conforme figura 1. Por exemplo, para a construção das câmaras de vácuo de das linhas de luz do projeto Sirius será utilizado aço inoxidável austenítico (316L e/ou 316LN), podendo ser feita também em alumínio e Mu-Metal, entre outros materiais, de modo a atender as diferentes exigências e necessidades para cada componente de cada linha de luz.

O nível de pressão de vácuo desejada para cada componente dependerá de particularidades das linhas de luz, isto está relacionado a faixa de energia da luz sincrotron que se deseja utilizar. Por exemplo, as linhas de ultravioleta de vácuo são as mais exigentes do ponto de vista de pressão de vácuo, pois todos os seus componentes devem trabalhar em pressões na faixa de UHV. Já para as linhas de alta energia que podem trabalhar em pressão atmosférica e baixo vácuo, terão que trabalhar em pressões na faixa de alto vácuo (HV), ou seja, pressões menores que 10-7mbar, devido as exigências do projeto Sirius, isto se deve a fatores que visam proteger os seus elementos ópticos como os monocromadores e os espelhos, que podem trabalhar em temperaturas criogênicas, e também para manter a qualidade do feixe entregue aos experimentos evitando fontes de espalhamento e diminuição da coerência do fótons entregues na estação experimental. Além disso, nas linhas do projeto Sirius o sistema de vácuo é compartilhado diretamente com o sistema de vácuo da fonte de luz sincrotron, ou seja, não há nenhum tipo de isolação física entre ambos (por exemplo, janelas ou qualquer outro anteparo).

Finalmente, deve-se atentar que a obtenção de pressões na faixa de ultra alto vácuo (UHV) depende de uma série de fatores dos componentes que constituem o sistema de vácuo, como: materiais utilizados na construção, cuidados durante o processo de fabricação, características superficiais das faces expostas ao vácuo, além do procedimento e grau de limpeza dos componentes.

Parâmetros Técnicos

• Tolerâncias dimensionais lineares e angulares de acordo com o desenho especificado pelo LNLS respeitando a norma NBR ISO 2768-1 ou valor especificado no desenho. As tolerâncias dimensionais deverão ser mantidas após o processo de condicionamento dos componentes.
• A verificação dimensional poderá ser feita através de um “gabarito” a ser utilizado como referência. O processo de checagem dimensional, bem como os equipamentos a serem utilizados, deverão ser previamente informados à equipe técnica do LNLS para validação e aprovação.
• A usinagem das peças poderá ser realizada com a tecnologia convencional de usinagem. Porém, está só poderá ser conduzida fazendo-se uso de fluidos de corte à base de água, para não prejudicar a futura qualidade de limpeza das peças;
• O material para a construção dos componentes deve ser o aço inoxidável austenítico ABNT 316L (ou equivalente), salvo exceções devidamente notificadas pela equipe técnica responsável no LNLS. No entanto, todo material deve ter por obrigação certificado de origem, qualidade, análise química e propriedades mecânicas. Além disso, deverão ser apresentadas análises de contraprova que atestem os resultados fornecidos com a matéria-prima;
• Todos os materiais utilizados na fabricação das câmaras deverão ser não-magnéticos ou apresentar permeabilidade magnética relativa inferior a 1,01. Toda a estrutura do material deve ser essencialmente austenítica, sendo tolerável no máximo 1 inclusão do tipo A, B e C e no máximo 1,5 inclusão do tipo D de acordo com a ASTM E 45-11a.
• Os tubos de aço Inoxidável devem seguir as especificações estabelecidas pela Norma ASTM A269 – 10 referentes à composição química, propriedades mecânicas, tolerâncias dimensionais e geométricas. Em caso de alguma tolerância conflitante com a NBR ISO 2768-1, o valor mais apertado de tolerância deverá ser utilizado. É desejável que os flanges sejam confeccionados a partir de barras forjadas. Segue desenho da câmara de amostras com alguns detalhes técnicos, de uma das linhas.
• Todas as soldas deverão ser feitas através de processo TIG do lado que ficará exposta ao vácuo, sem material de adição, sem porosidade ou trincas. Os soldadores deverão, obrigatoriamente, ter certificado de qualificação (CQS) segundo norma ASME ou equivalente e experiência mínima de dois anos com o método de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) em chapas e tubos de aço inoxidável.
• Algumas câmaras terão grande porte em formato retangular e/ou circular, por isso as vedações dos grandes flanges são feitas mediante fio de alumínio, que utiliza um método de construção e montagem especialmente desenvolvido pelo LNLS. Por isso, as especificações do sistema de vedação desses flanges deverão ser respeitadas, para não comprometer o uso da câmara pós-finalizada.

Demanda

A demanda específica dessa classe de componentes para o Sirius, por sua vez, é estimada em torno de 80 câmaras UHV para os monocromadores e espelhos, distribuídos pelas 40 linhas de luz do Sirius, que serão construídas ao longo das próximas décadas. Sem levar em conta câmaras adjacentes: diagnósticos, câmaras experimentas, como a figura 2, além das câmaras que conectarão esses elementos e auxiliarão na condução da luz sincrotron desde a fonte até as estações experimentais.

Referências, quando aplicáveis, estão disponíveis no Anexo 1 do edital FAPESP/FINEP.

.

Perguntas Frequentes

Perguntas feitas pelas empresas durante o decorrer do período do Edital serão adicionadas aqui com a resposta dada pelo responsável pelo desafio. Clique na pergunta para abrir a resposta.