Interferometria e a Radiação Síncrotron

Interferometria e a radiação síncrotron

(Interferometry and synchrotron radiation)

André Luiz Modena Golfete, Diego Valentin Pascui, Jaidilma Ribeiro dos Santos e Paula Naomi Kawaguchi

Curso de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do ABC

Avenida dos Estados, 5001 - Bangú, CEP 09210-580 Santo André - São Paulo

Recebido em 11 de Novembro, 2020

Este trabalho tem como objetivo revisar a literatura teórica e abordar os conceitos fundamentais para a compreensão da interferometria de raios X, assim como os avanços desta técnica com o passar dos anos. É feita uma breve revisão em relação às manifestações da luz e as propriedades ondulatórias das partículas, assim como o fenômeno de emissão de raios X. A técnica de imagem de contraste de fase é brevemente explicada assim como sua relação com a energia do feixe. Aborda-se o conceito de coerência, que descreve as propriedades de correlação entre duas quantidades físicas de uma única onda, ou entre várias ondas, e as classificamos de acordo com sua uniformidade espacial e temporal. O processo de espalhamento de raios X é tratado desde a sua forma mais elementar considerando um único elétron livre, até o espalhamento por um cristal. Descreve-se o processo de interferometria, considerando suas aplicações e vantagens para o uso na caracterização do material, com foco no modelo de Talbot, um dos mais utilizados. O papel da radiação síncrotron na geração de feixes coerentes de raios-X é destacado e o seu funcionamento é discutido, além de elucidar sobre a infraestrutura brasileira de fontes de luz síncrotron e suas perspectivas futuras. Neste trabalho foi possível ver a evolução da interferometria com o passar do tempo, com isso podemos vislumbrar já nas próximas décadas um país mais competitivo no âmbito científico e tecnológico.

This work aims to review the theoretical literature and the fundamental concepts for understanding X-ray interferometry, as well as the advances in this technique over the years. A brief review is made regarding the light manifestations and the wave properties of the particles, as well as the phenomenon of X-ray emission. The phase contrast imaging technique is briefly explained in the same way as its relationship with the beam energy. The concept of coherence is approached, which describes the correlation properties between two physical quantities of a single wave, or between several waves, and we classify them according to their spatial and temporal uniformity. The X-ray scattering process is treated from its most elementary form considering a single free electron, to scattering by a crystal. The interferometry process is described, considering its applications and advantages for use in the characterization of the material, focusing on the Talbot model, one of the most used. The role of synchrotron radiation in the generation of coherent X-ray beams is highlighted and its functioning is discussed, in addition to elucidating the Brazilian synchrotron light source infrastructure and its future perspectives. In this work it was possible to see the evolution of interferometry over time, with that we can already see in the coming decades a more competitive country in the scientific and technological scope.

1. Introdução

Matéria, por definição, abrange tudo relacionado a átomos e moléculas, sendo tudo aquilo que tem massa e que ocupa um lugar no espaço, podendo ainda ser relacionada com a luz e a radiação eletromagnética [1]. Dito isso, a classificação de um material, estando ligada ao conceito de matéria, define materiais como substâncias que possuam propriedades e que possam ser úteis para diversas aplicações. Já a caracterização dos materiais utiliza-se de técnicas instrumentais de análise visando à compreensão de diferentes aspectos relacionados à composição e estrutura de materiais que estão diretamente ligadas às propriedades químicas e físicas dos mesmos, sendo que essas propriedades estão vinculadas a propriedades mecânicas, ópticas, catalíticas, entre outras. Desta forma, a caracterização auxilia na determinação da possível aplicabilidade dos compostos estudados. [2]

Em 1895 houve o descobrimento dos raios X pelo físico alemão Wilhelm Konrad Roentgen enquanto trabalhava com um tubo de raios catódicos onde constatou-se que todos os materiais, em maior ou menor grau, eram transparentes a esses raios [3]. Além disso, aplicados no campo das engenharias e ciência dos materiais, os feixes de raios-X podem ser usados não apenas para determinar os parâmetros estruturais de cristais individuais, como também para determinar desvios da estrutura periódica e observar defeitos na estrutura [4].

Ao se falar em técnica interferométrica de raios X identifica-se suas aplicabilidades em vários campos de atuação. Assim sendo, o uso dessa técnica óptica é de grande destaque já que há muitos anos ela é aplicada na inspeção de materiais, na análise de tensões dentro de um cristal e para inferir a integridade da estrutura do material em estudo [5]. Além disso, a interferometria caracteriza-se por ser não destrutiva quando comparada aos processos mecânicos convencionais, isso quer dizer que são ensaios praticados a um material que não alteram de forma permanente as propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais do mesmo. Outras vantagens a serem evidenciadas são: altas sensibilidades, viabilidade de análise remota, medição sem contato, visualização de todo o campo e sem a necessidade de preparação especial da amostra [6].

Por fim, pretende-se com esse trabalho um maior aprofundamento acerca das técnicas ópticas, mais especificamente, a interferometria de raios X trazendo o assunto para os dias atuais graças à constante evolução e avanços tecnológicos que continuam alterando nossas perspectivas, interações científicas e sociais. Sendo assim, serão apresentados conceitos fundamentais desse fenômeno somado a uma atualização conceitual durante o passar dos anos. Feito isso, busca-se auxiliar na continuidade de desenvolvimentos tecnológicos e de pesquisa fundamental para a elaboração de novos métodos e técnicas ópticas cada vez mais recentes e inovadoras para a caracterização dos diversos materiais. Além disso, esse tema torna-se ainda mais importante quando nos damos conta de que profissionais de diversas áreas irão, uma vez ou outra, ficar expostos a um problema de projeto que envolva materiais e muitas