Los aceleradores del Sincrotrón ALBA cuentan con electroimanes que sirven para guiar y enfocar los haces de electrones a lo largo de su trayectoria.

Bajo la influencia de los campos magnéticos, los electrones siguen la fuerza de Lorentz:

En el ALBA se utilizan cuatro tipos diferentes de imanes:

• Imanes dipolares: son electroimanes típicos con una abrazadera de hierro, en forma de C o H, y dos bobinas enrolladas alrededor. Los imanes dipolares se utilizan para desviar los electrones en las líneas de transferencia y también para corregir la órbita.
• Imanes cuadrupolares: como su nombre indica, tienen cuatro polos magnéticos y, por lo tanto, cuatro bobinas. El campo magnético creado por un cuadrupolo aumenta linealmente con la distancia desde el centro. Se utilizan para enfocar los electrones y transportarlos a través de largas distancias, como puede ser un haz de electrones que circule en el interior del anillo de almacenamiento del ALBA.
• Imanes sextupolares: tienen seis polos y se utilizan para proporcionar un enfoque adicional. El campo magnético aumenta cuadráticamente con la distancia desde el centro.

Los principales imanes utilizados en el ALBA se resumen en la siguiente tabla. Cabe destacar que las diferentes unidades del campo magnético indican que se producen diferentes tipos de campos.

Detalles de construcción

La abrazadera de hierro de los imanes está fabricada con láminas de acero (de 0,5 a 1 mm de espesor), que llevan impreso el polo adecuado, están pegadas entre sí y montadas sobre la abrazadera. La precisión de la impresión alcanza +/- 15 µm. Para los imanes de función combinada del anillo de almacenamiento se ha llevado a cabo un mecanizado adicional de los polos.

Las bobinas se han producido a partir de conductor hueco de cobre y se refrigeran con agua desmineralizada. Las densidades de corriente son de unos 5 A/mm².

La potencia disipada por los imanes de los aceleradores del ALBA durante su funcionamiento normal es de 1 megavatio aproximadamente.

En ALBA, la secuencia de inyección, desde el LINAC hasta el anillo de almacenamiento, se realiza cada 20 minutos durante la operación de top-up para mantener una corriente de haz constante para los usuarios de las líneas de luz, generalmente con una eficiencia estable superior al 90%. En una sola secuencia inyectamos un tren de 40 paquetes de electrones que alcanzarán las celdas RF (buckets) objetivo presentes en el anillo de almacenamiento, por lo que se utiliza un sistema de sincronización y temporización extremadamente preciso.

Este esquema de inyección es uno de los más utilizados en fuentes de luz de tercera generación debido a su fiabilidad, los grados de libertad en la sintonización del bump, la alta eficiencia de inyección y la transparencia para los usuarios cuando está optimizado para la operación.

La solución es construir sistemas magnéticos especiales que hacen que la curva de electrones tenga un radio específico –dependiendo de la aplicación – para producir la luz requerida. Estos sistemas se denominan dispositivos de inserción, ya que se han instalado, de hecho, se insertan, en las secciones rectas del anillo de almacenamiento.

Los dispositivos de inserción están realizados con dos matrices magnéticas colocadas de tal manera que la trayectoria de los electrones hace una oscilación. En general hay una matriz magnética superior y otra inferior, con los polos opuestos colocados los unos frente a los otros. Con el fin de obtener una oscilación de los electrones longitudinalmente, cada par de imanes se muestra a lo largo de un eje longitudinal siguiendo un patrón alternativo. Cuando pasan a través de cada par magnético – llamado semiperiodo – los electrones serpentean y emiten luz de acuerdo con la curva seguida.

Hay dos tipos principales de dispositivos de inserción:

Para cambiar la energía de la luz emitida debemos modificar el campo magnético producido por los dispositivos de inserción. Cuando la matriz magnética es de bobinas, esto se consigue variando la corriente circulante y, cuando está hecha de imanes permanentes, separando mecánicamente las matrices superior e inferior.

ALBA tiene seis líneas de luz con dispositivos de inserción: XALOC, NCD-SWEET, CIRCE, BOREAS, CLÆSS y MSPD.

La luz del sincrotrón la producen los electrones que circulan y se emite tangencialmente por la curvatura que siguen. En el caso de los imanes de curvatura, la luz es tangencial en el arco definido por los electrones, mientras que en los dispositivos de inserción se emite a lo largo del eje de oscilación.

En ambos casos, la cámara de vacío en la cual se encuentran los electrones tiene una apertura que permite la extracción de la luz. La abertura está unida a un tubo de vacío recto que acopla el acelerador con la línea de luz.

El tubo de vacío se llama obturador de línea (front end) porqué está situado al final del acelerador y llega hasta la parte frontal de la cabina de la línea de luz. El obturador de línea comienza en la cámara de vacío del acelerador y termina justo después de pasar la pared del túnel del búnker a través de una ventana especial.

A lo largo de este tubo de vacío hay algunos equipos específicos que condicionan el haz de luz: las rendijas, las máscaras y el obturador de fotones.

• MÁSCARAS: en función de la aplicación de la luz generada por el sincrotrón, a veces no se utiliza todo el ventilador emergente. En estos casos, se usa una máscara fija para detectar la parte de la luz que nunca se utilizará dentro de la cabina. Las máscaras se colocan en el cabezal frontal porque la proyección de rayos X produce una pequeña radiación que es mejor mantener en el interior del túnel.
• RENDIJAS: dependiendo de las muestras de cada experimento a veces se necesita regular la intensidad del haz de luz, lo cual se hace con rendijas móviles especiales que absorben una gran cantidad de calor conservando la posición y los ajustes.
• OBTURADOR DE FOTONES: sirven para controlar la apertura y el cierre de la iluminación de la muestra.

Además de los elementos ópticos, el cabezal frontal también se utiliza para la instalación de dos sistemas de seguridad importantes:

• OBTURADOR DE RADIACIÓN: está conectado a la cabina experimental a través de un sistema de enclavamiento diseñado para evitar la exposición de radiación a cualquier usuario en las cabinas. Los usuarios sólo pueden entrar y trabajar en el interior de las cabinas cuando este dispositivo obstruye la luz.
• UNIDAD DE ACTIVACIÓN DE VACÍO: está vinculada a una válvula de cierre rápido para aislar el vacío en el acelerador en el caso de que se rompa en la cabina experimental. Esta situación ocurre a veces por un mal funcionamiento o las modificaciones de los elementos experimentales.

Finalmente, comentar que los cabezales frontales también están equipados con un monitor de posición de haz de rayos X (XBPM) para medir la posición de la luz emitida y utilizar esta información en la alineación del acelerador con el experimento que se lleve a cabo.