Manual interno de

operação D08B – XAFS2

Júnior Cintra Maurício Versão Beta: 20/05/2015

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Sumário

1. Procedimento para abrir a linha de luz ...................................................................... 3

2. Sistema de controle ............................................................................................................ 4

Cabana Óptica .......................................................................................................................... 5

Cabana experimental ............................................................................................................ 6

Status do feixe .......................................................................................................................... 7

3. Iniciando o experimento .................................................................................................. 8

Passo 01 – Definindo o local dos arquivos ................................................................... 9

Passo 02 - Posicionando a amostra .............................................................................. 10

Passo 03 – Otimizando os detectores .......................................................................... 11

Passo 04 – Varredura em energia ................................................................................. 15

4. Calibração em energia .................................................................................................... 18

5. Mono Pitch Altura ............................................................................................................ 20

6. Paralelismo dos cristais - Otimização do pitch do segundo cristal .............. 22

7. Detuning .............................................................................................................................. 23

8. Detector de Estado Sólido – Ge15 ............................................................................. 24

9. Instruções de segurança para o caso de queda de energia elétrica ............. 26

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1. Procedimento para abrir a linha de luz

1.1 - Desbloquear Gama – para isso acionar no painel o botão “Abre/Fecha Linha”. O led em “Bloqueio Gama” passará de vermelho para verde.

Obs.: O Gama é bloqueado automaticamente nas injeções.

1.2 - Ao acionar “Abre/Fecha Linha”, a “Válvula Gate Anel” e o “Obturador Feixe Branco” abrem automaticamente nesta seqüência.

1.3 - O “Obturador Monocromático” poderá ser acionado. Mas isso somente

poderá ser feito após a Busca.

1.4 - Busca: Retirar a chave Procura (de número 1) do quadro. Verificar se não há ninguém dentro da cabana; isso significa que as outras três chaves deverão estar no quadro. Colocar a chave Procura no “Tambor de Procura” – dentro da cabana. Girá-la uma vez, voltar e removê-la. Após isso teremos 10 segundos para fechar a porta e apertar o botão verde da mesma. Uma sirene e o giroflex serão acionados.

1.5 - Colocar a chave Procura no quadro e quando a sirene parar, acionar o

botão “Obturador Monocromático”.

Painel de acionamento com a “Chave Procura” e as outras três chaves de proteção pessoal. Todas

devem estar acionadas para abrir o Obturador Monocromático.

Obs.: Após este procedimento, não é necessário acionar o “Abre/Fecha Linha” toda vez que precisar entrar na cabana. Para isso basta desapertar o “Obturador Monocromático” e fazer o procedimento a partir do item 4. Isto evita que a Válvula Gate e o Obturador de Feixe Branco abram e fechem inúmeras vezes sem necessidade.

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2. Sistema de controle Todo o controle da linha de luz é feito através via EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System), rodando em um PXI da National Isntruments. A aquisição de dados é realizada usando um computador rodando Red Hat com o Py4Syn, pacote de scrips em python desenvolvido pelo grupo SOL do LNLS. A interface gráfica para controle e monitoramento de dados foi elaborada utilizando o Control System Studio (CSS).

Interface de controle principal da linha de luz XAFS2 – Interface para o staff – botões de alinhamento acessíveis.

Através da interface principal da linha de luz, xafs2_users.opi, temos o acesso a praticamente todos os componentes mecânicos, eletrônicos e pneumáticos da XAFS2.

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Cabana Óptica

Os botões Pre-slits (fendas pré-monocromador), Mirror 01 (Câmara de espelhos 01 – Espelho cilíndrico), Monochromator, Post-slits (fendas pós-monocromador) e Mirror 02 (Câmara de espelhos 02 – Espelho toroidal) são utilizados para o alinhamento óptico da linha de luz e devem ser utilizados somente pelo staff da linha. Podemos observar que eles estão inativos propositalmente para os usuários. O botão Encoder exibe os displays dos encoders da primeira e segunda câmaras de espelhos e do theta do monocromador. Já o botão Gauge Controllers exibe os displays dos controladores de pressão dos trechos da linha de luz, indicando se a pressão corrente permite ou não a operação da linha. O botão Shutter permite a abertura ou o fechamendo do mesmo desde que todos os passos do sistema de intertravamento tenham sido realizados corretamente.

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Cabana experimental

O único botão de alinhamento nesta parte é o Experimental hutch slits (fendas da estação experimental) que também está inativo para os usuários e só deve ser operados pelo staff da linha. O botão Motors nos permite acessar e controlar todos os motores disponíveis na cabana experimental, exceto as fendas como foi citado anteriormente.

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O botão Ion Chambers permite o controle e visualização dos pré-amplificadores de corrente da Stanford, SR570. O botão Scalers permite disparar uma contagem, em segundos, e visualizar as contagens dos contadores presentes na linha de luz, como câmaras de ionização e elementos do detector de fluorescência. No botão Equipaments acessamos basicamente três equipamentos envolvidos em setups experimentais distintos: o eletrômetro Keithey K617, o controlador de temperatura E5CK para fornos e o controlador de temperaturas para criostato Lakeshore 331. O botão Energy permite selecionarmos diferentes energias no monocromador DCM, ativando ou não a correção de altura do segundo cristal. É utilizado também no procedimento de calibração. O botão Experiments é utilizado para realizarmos aquisições de dados, podendo ser varredura em energia ou varredura com motor. O botão Graphics permite visualizarmos alguns gráficos, como o feixe incidente (i0) ou o sinal do espectro da amostra – em fase de desenvolvimento.

Status do feixe

As informações referentes ao feixe no anel de armazenamento estão disponíveis no canto superior esquerdo da janela principal. Para mais informações basta pressionar o botão Storage Ring Status.

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3. Iniciando o experimento Basicamente temos dois modos de medida principais: transmissão e fluorescência. O setup básico para estes dois modos são apresentados nas figuras abaixo:

Setup para medidas no modo de transmissão

Para as medidas no modo de fluorescência mantém-se o setup para transmissão, e acrescenta-se um detector de estado sólido e gira-se a amostra em um ângulo Ө, conforme a figura abaixo:

Setup para medidas no modo de fluorescência

Sample

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Passo 01 – Definindo o local dos arquivos

Por padrão, os arquivos serão salvos no Storage do LNLS, seguindo sempre a nomenclatura descrescente de data. A criação de pastas envolvendo anos e meses são criadas automaticamente. Deveremos criar somente as pastas que necessitamos utilizando o campo “user” como destacado na figura abaixo.

O caminho do diretório será: Z:/2015/May/Junior/calibracao Acesse o Z: (StorageXAFS2) utilizando o microcomputalor LNLS144. Obs.: caso você necessite analisar os dados, sempre faça uma cópia dos arquivos, e nunca salve os arquivos que estão hospedados no Storage, pois os mesmos são a única cópia dos dados brutos obtidos no experimento.

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Passo 02 - Posicionando a amostra

Prepare a amostra adequadamente, segundo o tipo de técnica de medida que será utilizada e o ambiente ao qual será exposto a amostra. Posicione a amostra utilizando os motores da mesa onde a mesma se encontra. Métodos para posicionar a amostra: - Utilizar uma tela fluorescente para encontrar o feixe monocromático, e utilizá-lo como referência (muito usado para um primeiro posicionamento, sendo que muitas vezes é o método definitivo para muitas amostras, como as preparadas em membranas e pastilhas, medidas à temperatura ambiente). e/ou - Utilizar o olho de raios-X. e/ou - Utilizar varredura com motor (veja figura abaixo) e analisar o perfil do feixe na câmara de ionização I1 (a mesma deve estar fora da saturação para isso – veja o próximo tópico).

Varredura com motor

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Sinais de vídeo da linha de luz XAFS2 – IP10.2.14.31

Observação: acesse os sinais de vídeo da linha de luz acessando o IP 10.2.14.31 através de qualquer navegador de internet. Passo 03 – Otimizando os detectores

Câmaras de ionização O feixe monocromático ao passar pela câmara de ionização ionizará o gás contido em seu interior, e através de uma diferença de potencial aplicado entre as placas de cobre da câmara, teremos uma corrente elétrica. Essa corrente elétrica, após passar pelo Stanford SR570 e pelo CompactRIO, é visualizada no terminal pelo usuário final como uma contagem. Essa contagem deve ser otimizada em torno de 300.000 contagens por segundo, em todas as câmaras de ionização, com o feixe monocromático antes da borda, em torno de 30 eV.

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Contagem / s Descrição < 10.000 Próximo do ruído elétrico

> 600.000 Próximo do nível de saturação da contagem ~300.000 Contagem alvo

Observe nas figuras abaixo como otimizar as câmaras de ionização câmaras I0, I1 e I2, passo a passo. Devemos monocromatizar o feixe antes da borda de absorção do elemento de intereresse. Selecione Move Energy, como mostra a figura.

No campo “move energy to (eV)” digite a energia. Caso a borda de interesse seja a K do Ni (8333 eV) digitaremos 8300, por exemplo. É necessário pressionar o botão Go para acionar o comando.

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Clique no botão Scalers para verificar as contagens das câmaras de ionização.

Coloque o modo de contagem em autocount para facilitar a otimização. Nesse modo, os contadores contarão 1 segundo ininterruptamente. Observe as contagens nas câmaras I0, I1 e I2. Clique no botão Ion Chambers, e após em I0/I1/I2.

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Selecione o ganho ideal para cada uma das câmaras de ionização, observando as contagens na janela Scalers. No modo fluorescência teremos verificar o tempo morto do detector Ge15, para isto veja o tópico “Detector de Estado Sólido Ge15”.

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Passo 04 – Varredura em energia

Configuração de parâmetros

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Faça toda a configuração para a aquisição de espectros na janela acima, delimitando 3 regiões básicas: região pré-borda, região de XANES e região de EXAFS (opção para escolha incremental no espaço de vetor de onda k, podendo ser mais de uma região). Save as: insira o nome do arquivo, que geralmente escolhe-se o nome da amostra medida. O incremento numérico após o nome do arquivo é automático e crescente. Partial write file: selecione essa opção para que o modo de salvar os dados seja ponto a ponto. Isso é útil pois poderemos visualizar o arquivo em outros softwares mesmo sem terminado o scan. Comments: inserção de algum comentário relevante. Counter: escolha o modo de medida – transmissão, fluorescência ou keitlhey. Edge: insira o valor da borda de absorção que será medida. Repeat(s): insira a quantidade de vezes que a varredura programada será efetuada, sequencialmente. Botões (+) e (-): insere e retira colunas da programação da varredura em energia, respectivamente.

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Botão Scan: inicia o processo de varredura em energia. Ao iniciar a varredura uma janela gráfica é aberta exibindo os sinais mais relevantes em função do modo de medida, escolhido em Counter. Botão Stop: interrompe o processo de varredura em energia.

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4. Calibração em energia

4.1 Colocar o padrão metálico apropriado para a calibração entre as câmaras I1 e I2.

Figura :Caixa onde estão os padrões metálicos

4.2 Fazer um Scan Energy em uma faixa de valores de energia entre 50 eV acima e abaixo da energia da borda de interesse. Estaremos procurando, nesta faixa, a borda de absorção. Recomendamos uma varredura inicial com passo de 5.0 eV e 1.0 segundo por passo. Caso a borda não apareça, deve-se aumentar o intervalo em energia da varredura. Não se esqueça de otimizar as contagens das câmaras de ionização antes de iniciar a varredura em energia. 4.3 Encontrada a borda de absorção, refazer o Scan Energy com um passo menor – 0.5 eV ou 1.0 eV e em uma faixa de energia menor em torno da borda. Abra o software Newplot localizado na área de trabalho e abra o arquivo gerado. A borda de absorção do elemento de interesse será o primeiro ponto de inflexão

da curva, e para realizar a derivação da curva clique em .

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Newplot

4.4 Caso esteja descalibrado, primeiramente posicione o monocromador na energia no primeiro ponto de inflexão (verificado no passo anterior) através do Move Energy (1°, na figura abaixo). Depois disto abra a janela Energy Calibration (2°, na figura abaixo) e no campo calibEnergy digite o valor correto da borda de absorção. Pressione o botão Calibrate.

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5. Mono Pitch Altura

Para com que o feixe monocromático incida sempre na mesma posição da amostra, desde o início até o fim da varredura em energia, é necessário a correção da altura do segundo cristal. Porém, detectamos que com a correção da altura ativada a relação sinal/ruído diminui e artefatos são inseridos no espectro. Isso é ruim ao obter-se um espectro até alto k (EXAFS), principalmente, em amostras diluídas. Como solução temos que desativar a correção da altura, quando o experimento permitir. Com isto, solucionamos o problema citado acima porém perdemos em fluxo de fótons a medida que a varredura em energia se afasta da energia em que o pitch foi otimizado. Cabe ao local contact a escolha, segundo as circunstâncias gerais do experimento envolvido, em desativar ou não a correção da altura.

Desativando a correção de altura do segundo cristal do DCM

Desative a altura em uma posição média em relação aos limites da varredura em energia. Por exemplo, se a borda de interesse for a K do Ni e as extremidades da programação da varredura em energia for [8280, 9200].

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Ative a opção Height Correction conforme mostra a figura abaixo e mova as energias para estes extremos anotando as correspondentes posições de altura.

Após encontrado o valor médio das alturas desabilite o Height Correction. Na janela de controle principal abra o motor DCM Height e o envie para a posição encontrada, conforme as figuras abaixo.

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6. Paralelismo dos cristais - Otimização do pitch do segundo cristal A otimização do pitch deve ser realizada a cada troca de borda. A otimização visa encontrar o ângulo ideal, do grau de liberdade pitch, cujo fluxo de fótons é máximo, em determinada energia. A energia do monocromador deve estar em torno de 100 eV acima da borda de absorção do elemento de interesse antes de iniciarmos a otimização do pitch.

Esquemático de um cristal DMC

Modo 1

1) Em Scalers, abra a janela Scalers e coloque o modo de contagem em autocount.

2) Observe a contagem da câmara de ionização I0, e otimize-a para que fique em torno de 300.000 contagens por segundo.

3) Em Monochromator, abra a janela DCM Pitch. 4) Movendo o motor pitch, com pequenos incrementos (0,001 rad), observa-

se uma variação na contagem da câmara I0. Isto se deve ao fato de os cristais do monocromador não estarem paralelos. O que se quer alcançar é a condição de paralelismo destes cristais, e assim a otimização do fluxo de fótons.

5) Observe que a contagem da I0, em Scalers, irá variar. Ela poderá crescer ou decrescer. O objetivo é ir aumentando esta contagem através pequenos incrementos até que a mesma comece a cair. Desta maneira, você estará encontrando o ângulo do pitch em que ocorre o paralelismo que é onde ocorre o máximo de intensidade.

6) Encontrado o máximo de intensidade, feche a janela DCM Pitch.

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Modo 2

1) No botão Experiments escolha Scan Motors. 2) Configure os seguintes parâmetros:

- Motor 1: Mono Pitch - Init: -0.05 - Final: 0.05 - Step: 0.001 - Acquisition time: 1 - Go to optimum: Yes - Counter: xafs2i0

3) Inicie a varredura através do botão Scan. Ao terminar o scan o motor irá automaticamente para a posição correspondente à contagem máxima.

Obs.: os modos 1 e 2 atingem o mesmo resultado. Escolha o que mais lhe agrada.

7. Detuning O detuning é um procedimento realizado para suprimir os harmônicos de terceira ordem realizado em cristais do tipo DMC. O procedimento consiste em eliminar 30% do máximo de intensidade do feixe monocromático, através do grau de liberdade pitch, em energias menores que 6500 eV (essa energia depende do ângulo de curvatura do segundo espelho – toroidal, revestido de ródio, que define a energia de corte). Portanto, realizamos o paralelismo dos cristais (conforme explicado no tópico 5 deste manual), anotamos a respectiva contagem da câmara de ionização I0, e posicionamos o motor pitch na posição em que a contagem da I0 corresponde a 70% da contagem máxima.

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8. Detector de Estado Sólido – Ge15

Abastecimento com nitrogênio líquido Completar com LN2 (nitrogênio líquido) a cada 03 dias. Equipamento de proteção: óculos de proteção, luvas para criogenia e jaleco com mangas longas. Observação: Em geral, cabe aos membros da equipe de apoio da linha de luz, e não ao usuário, a responsabilidade de manter cheio de LN2 o dewar do Ge-15. Tal procedimento somente será necessário caso o alarme de LN2 comece a soar durante um experimento.

Ligando e configurando o detector Ge15

1) Verificar se o microcomputador XAFS3 esteja desligado.

2) Ligar os microventiladores atrás dos módulos ADC.

3) Ligar os dois módulos ADC – o alarme de LN2 soará.

4) Apertar “Desativar LN2” para parar o alarme. Em duas situações o alarme não

parará: se detector não estiver com nível mínimo de LN2 ou o cabo do sensor

do nível de LN2 não estiver conectado no dewar do Ge-15. Neste caso desligar

os módulos ADC para averiguações e correções do problema.

5) Se o alarme do LN2 parou de soar, então ligar a alta tensão (chave HV ON).

Pressionar Reset no módulo HV. Isto permitirá subir a alta tensão. Subir a alta

tensão vagarosamente (em pelo menos 30 segundos) até 0.5 kV.

6) Ligar o microcomputador XAFS3.

7) Executar o programa 2016Setup através do ícone que se encontra na área de

trabalho. Este programa configura as janelas para cada elemento do Ge15 e

recupera os parâmetros de calibração, realizada previamente. Nesta etapa,

deve-se seguir atentamente as instruções aqui contidas. Caso contrário, é

possível a perda dos parâmetros da calibração.

8) No programa 2016Setup, selecione a opção “E. Download Setup Values”.

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CUIDADO PARA NÃO SELECIONAR NENHUMA OUTRA OPÇÃO.

Aguardar em torno de 2 minutos enquanto os valores de configuração dos

contadores estarão sendo atualizados.

9) Quando a janela principal aparecer novamente, escolha a opção “C. TCA

Window Setup”. Aguarde e quando a janela de seleção de canais aparecer,

selecione o canal correspondente ao elemento central, canal 8.

10) Na janela gráfica, mostrada abaixo, realize a configuração do SCA#2,

atribuindo o valor do centróide e da largura do pico de fluorescência do

elemento de interesse. Após isto, deixe marcado a opção “Apply to all

Amp/TCAs”, para que todos os canais sejam setados com a mesma

configuração, e clique em OK. Observe sempre o tempo morto, que

idealmente deve ser menor que 5%. Caso o tempo morto seja maior do que o

recomendado utilize filtros apropriados e regule a distância detector-amostra.

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9. Instruções de segurança para o caso de queda de energia elétrica

Nos medidores de pressão:

O medidor de pressão encontra-se um pouco acima do campo de visão no rack. Verificar se está sendo realizada a leitura das pressões. Caso não estejam, deve-se ligar uma a uma.

Na cabana óptica – encoder Heidenhain:

Verificar se o valor de ângulo exibido no encoder Heidenhain é, aproximadamente, o valor exibido na janela “Move Energy” (onde se seleciona a energia do feixe). Caso o valor esteja totalmente errado, contate o seu local contact ou algum membro do grupo FAX.