Sirius particle accelerator model: an investigative approach to exploring synchrotron light generation

Silva, Rubens Antônio da; Ferreira, Helaine Sivini; Lima, José Roberto Tavares

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Revista Brasileira de Ensino de Física

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Sumário

Artigos Gerais • Rev. Bras. Ensino Fís. 46 • 2024 • https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2024-0099 copy

Sirius particle accelerator model: an investigative approach to exploring synchrotron light generation

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Our research aimed to investigate the role of a functional model of the Brazilian particle accelerator, Sirius, as a teaching device, to approach the synchrotron light generation process and disseminate the accelerator, with students from the teachers in trainning course offered by Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE). Synchrotron light is a form of electromagnetic radiation produced by charged particles, usually electrons, that are accelerated in intense magnetic fields and curved into circular paths. Sìrius is the only fourth-generation particle accelerator in the southern hemisphere, opened in 2018, located at the National Center for Research in Energy and Materials (CNPEM), in Campinas-SP. The investigation into the use of the model consisted of the first stage of an Investigative Teaching Sequence (SEI), structured, validated and applied in doctoral course research. For the intended investigation, we used the quadrant technique and the interpretative analysis of the students’ responses, produced during the development of this first stage of the SEI. The results obtained indicated the versatility of the teaching device that enabled a three-dimensional visualization of the real object and the mobilization of analogies that facilitated the understanding of the synchrotron light generation process.

Keywords:
Synchrotron light; sirius accelerator; didactic model

Momento	Planejamento	Abordagem
1	Cuidados Éticos	Diálogo com os estudantes e assinatura do TCLE.
2	Teste Diágnóstico	Verificação dos conhecimentos prévios.
3	Desenvolvimento da SEI	1ª Etapa (Problema Experimental ou Teórico) – Questões problematizadoras com o uso da Maquete.
4		2ª Etapa (Sistematização do Conhecimento) – Promoção da discussão dos alunos, dialogando com os colegas e com o pesquisador.
5		3ª Etapa (Contextualização) – Leitura e atividade do texto da Covid.
6		3ª Etapa (Aprofundamento) – Leitura dos textos complementares e vídeos sobre o Sirus
7	Avaliação Final	4^◦ Etapa Identificação de possíveis indicadores de Alfabetização Científica.
8	Avaliação Geral da SD	4^◦ Etapa Reflexão sobre a SD desenvolvida.

Suportes	Objetivo	Temáticas/Conceitos Identificados	Ações/Motivações Esperadas	Como a Ação Pode Ser Desenvolvida
Painel – Identificação da maquete	– Destacar a origem do nome Sirius; – Nomear o mais novo acelerador de partículas brasileiro;	– Imprimir um significado simbólico à maquete, comparando-a com a estrela mais brilhante do céu do hemisfério sul;	– Buscar mais informações sobre o Sirius; – Buscar sobre outros aceleradores de partículas no hemisfério sul;	– Pesquisa em sites e revistas de divulgação científica (como a Revista FAPESP, por exemplo);
Painel – Imagem real e informações sobre o Siruis	– Apresentar o objeto real, que a maquete representa;	– Acelerador de partículas; – Geração de luz síncrotron; – Pesquisas avançadas;	– Buscar mais informações sobre o Sirius; – Busca maiores informações sobre as pesquisas desenvolvidas; – Buscar oportunidades de bolsas ou estágio;	– Pesquisa no site do CNPEM;
Painel – Informações sobre o PPGEC	– Informar onde a pesquisa está sendo desenvolvida;	– Papel da pós-graduação – Ciência e políticas públicas; – Investimento público em ciência e tecnologia – Pesquisa aplicada;	– Despertar interesse em carreiras científicas; – Estimular o interesse em curso de pós-graduação; – Valorização dos objetos didáticos e percursos metodológicos para a abordagem de conteúdos científicos;	– Busca por outros trabalhos e artigos científicos versando sobre as temáticas discutidas;
Painel – Bandeira do Brasil	– Destacar a origem brasileira da infraestrutura.	– Essa representação simbólica contribui para criar um senso de pertencimento e orgulho nacional em relação ao projeto.	– Valorização da pesquisa e da ciência nacional;	– Busca por outros laboratórios relevantes para a pesquisa nacional
Painel – QRCode	– Facilitar o acesso a informações sobre o CNPEM e a ESPEM	– CNPEM – ESPEM	– Estimular o interesse em participar da ESPEM	– Uso do QRCode para leitura e pesquisa e informações
Painel – Caixa contendo dispositivos de arduino	– Possibilitar a implementação da programação do acelerador de partículas	– Robótica educacional; – Programação; – Olimpiada de Robótica	– Estimular o interesse em participar de olimpíadas de robótica e em desenvolver competências em programação; – Conhecer o código-fonte;	– Pensar em outras programações possíveis – Escrever um código fonte e testar
Painel – Legenda indentificando os principais componente da maquete	– Facilitar a identificação dos componentes que compõem a maquete	– Acelerador linear, booster, anel de armazenamento, rede magnética, luz síncrotron, estações experimentais;	– Reconhecer os principais componentes dos dispositivo e sua função;	– Descrever ou representar através de esquema os principais componentes do Sirius
Painel – Potenciômetros	– Acelerar o jogo de LEDs	– Geração da luz síncrotron	– Manuseio dos potenciômetros	– Observar as alterações e aceleração nas luzes da maquete que representam os diferentes estágios da geração da luz síncrotron;
Painel – Representação tridimensional do acelerador de partículas Sirius	– Possibilitar exploração de analogia com o objeto real; – Possibilitar demostração de um fenômeno físico;	– Conjunto de conceitos relacionados à luz síncrotron;	– Identificação de componentes; – Estabelecimento de relação entre os componentes da maquete e os componentes do acelerador;	– Discussão e troca de ideias; – Apropriação de terminologia científica;

Estudante	Resposta (Questão 1)
1	“Os elétrons, que geram a energia, o ímã que atrai o elétron e acelera a velocidade dos elétrons”
2	“Os elétrons, para gerar as energias. Ímã, para aumentar a aceleração”
3	“Os elétrons, para gerar as energias; Ímãs para acelerar as velocidades das partículas”
4	“Eletroímãs; estações de captação das partículas; tubos de aceleração”
5	“Os ímãs para aumentar a aceleração”
6	“Cobre, que serve como um ímã para os elétrons; Lâmpadas para indicar que a velocidade chega a ser próxima a da luz; Estações experimentais como o nome de árvores a fim de homenagear a fauna e a flora do Brasil”
7	“Tubo de aceleração, estações adjacentes de estudo da luz síncrotron, ímãs usados para acelerar as partículas”
8	“As fiações de cobre na mangueira simulam os ímãs que aceleram as partículas. Os leds representam a trajetória das partículas. As caixas tangentes ao sistema são as estações de pesquisa e a mangueira simula o corpo do acelerador”
9	“Ímãs: responsáveis por gerar campos magnéticos; tubos: responsável por criar e manter um ambiente de vácuo extremo. Leds: que são as linhas de luz que transporta a luz até as estações”
10	“Ímã (aceleramento), cabine ou estações experimentais (armazenamento e transformação da energia)”
11	“Os ímãs presentes no circuito geram a aceleração dos elétrons. O tubo circular por onde percorre o elétron e as cabines no fim é onde a luz gerada acaba”
12	“As luzes. Mostrar que está em movimento”
13	“Ímãs, acelera a velocidade dos elétrons, as luzes que simbolizam os elétrons, as cabines, os elétrons são direcionados até elas, a partir da robótica, que permite que tudo funciona”
14	“Tem os ímãs que são utilizados para acelerar essas partículas e consequentemente aumenta a velocidade daquela luz”
15	“Há um tubo percorrido pelo elétron, atraído pelas redes magnéticas até atingir uma velocidade próxima a da luz e, tangencialmente, emitir a luz síncrotron para as cabines experimentais”
16	“Cobre/Ímã: promover a condução de carga elétrica para a luz. Led: simbolizar a luz que é propagada”
17	“Apenas a função do ímã, sei que serve para direcionar os elétrons, além de acelerar ou manter sua velocidade”
18	“Os fios de cobre representam os ímãs que aceleram o elétron; mangueiras, representando os tubos que estão presentes no acelerador para a passagem dos elétrons”
19	“O elétron (a luz); os fios de cobre (que seriam os ímãs)
20	“Tubos onde os elétrons passam e bobinas (ímãs)
21	“Os elétrons, que geram a energia, o ímã que atrai o elétron e acelera a velocidade dos elétrons”
22	“Os ímãs, fazendo com que os elétrons percorram por todo o círculo”
23	“Tubos, luzes de leds, ímãs, caixinha de plásticos, arduinos, fios”
24	“Led: representa o elétron; Fios de cobre: ímãs; Tubo: representa a estrutura do anel circular”
25	“O ímã, que tem por objetivo ser um condutor magnético”
26	“A mangueira representa os tubos, os fios de cobre que representam o ímã, o led que representa os elétrons”

Estudante	Resposta (Questão 2)
1	“Para que a energia do meio seja parecida com a energia da borda, utilizando ímãs para acelerar os elétrons”
2	“Para a energia do centro ir igualmente para a borda”
3	“Para partícula ficar no centro e ir igualmente para a borda”
4	“Para ter a mesma distância da partícula, pois um círculo possui a mesma distância das bordas para o centro”
5	“Se torna mais econômico e também porque o formato circular é mais perceptível a aceleração”
6	“É circular porque a partícula do centro vai ter a mesma distância da borda para o centro e também por causa da lei da inércia”
7	“O formato circular permite que as partículas continuem girando indefinidamente, que não seria possível em outros formatos”
8	“Para aproveitamento de espaço e permitir o ciclo da partícula acelerada mantendo a radiação da luz síncrotron”
9	“Para que as partículas continuem acelerando, aumentando a sua energia e a chance de colisões”
10	“Ele centraliza a força de elétrons”
11	“Para dá tempo dos elétrons atingirem a velocidade desejada. Além de gerar os feixes de luz pela tangente da curva”
12	“Para os elétrons continuar rodando e aumentar a velocidade”
13	“Para ter um formato para que as partículas aumentem a velocidade”
14	“Para os elétrons “aproveitarem” todo espaço percorrido”
15	“Existem diferentes motivos entre esse evitar que a energia escape pela tangente e dessa forma, é uma maneira de manter a velocidade circulando e essas partículas permanecerem acelerados”
16	Porque permite que o elétron aumente de velocidade em um espaço menor e demandando menos recursos, como as redes magnéticas”
17	“Para otimizar o espaço. Para aumentar a velocidade das partículas, possibilitando que o elétron passe mais de uma vez pelo ímã”
18	“Para fazer com que os elétrons permaneçam com a mesma ou aumente sua aceleração”
19	“Para que o elétron possa passar pelos mesmos ímãs para acelerar e para que não haja perda de velocidade, além de que a luz vai sair tangenciando”
20	“Para aumentar a velocidade do elétron, para economizar espaço”
21	“É necessário maior percurso para ganhar tempo e espaço para gerar a luz síncrotron (maior quantidade de ímã em contato)
22	“Para os elétrons continuarem em movimento”
23	“Para que a luz percorra várias vezes alimentando a velocidade, reduzindo recursos e pela lei da inércia a luz vai sair pela tangente ao atingira velocidade próxima da luz”
24	“Porque serve para auxiliar na aceleração dos elétrons, além de facilitar a saída da luz síncrotron”
25	“Porque quando o átomo chega próximo a velocidade da luz, ele vai perdendo elétrons, fazendo este loop”
26	“Porque o formato circular faz com que os elétrons percorram mais rápido pelos tubos”

Estudante	Resposta (Questão 3)
1	“O ímã, nesse caso, o fio de cobre, que na maquete serve para acelerar os “elétrons”, fazendo com que o polo positivo do ímã interaja com o elétron (-), podendo chegar a uma velocidade próxima a da luz”
6	“O ímã serve como acelerador do campo magnético”
7	“Os ímãs no tubo de aceleração”
8	“São os ímãs os quais alternam sua polarização e aceleram a partícula”
9	“O booster”
10	“Ímã, libera o campo magnético”
14	“Os ímãs são os componentes responsáveis por aumentar a velocidade da partícula”
15	“São as tensões eletromagnéticas que aceleram aquela luz (gerada pelo aceleramento dos elétrons) só que em maiores proporções”
16	“As redes magnéticas atraem o elétron, através do campo magnético, conduzindo-o ao longo da estrutura”
17	“A luz. A propagação da energia através da luz”
19	“Os ímãs, que vão gerar compôs magnéticos que vão aumentar a velocidade do elétron”
20	“Um ímã, interações eletromagnéticas”
22	“Os ímãs aumentam a velocidade dos elétrons”
23	“Os ímãs ou componentes eletromagnéticos”
26	“O canhão de partículas dá o “tiro” inicial nos elétrons e os ímãs faz com que os elétrons aumentem a força”

Estudante	Resposta (Questão 4)
1	“As cabines possuem os nomes de fauna e flora para homenagear a nacionalidade brasileira, e servem para armazenar a energia obtida”
2	“São nomes de árvores e coisas do Brasil para valorizar o país”
3	“Centro de capacitação e estudo da partícula”
4	“Capitação de partícula para estudos”
5	“São nomes da fauna e flora brasileira para valorizar o país”
6	“Analisar a frequência de cada amostra que será trabalhada, dependendo da temática”
7	“São estações de estudo da luz síncrotron”
8	“São as estações de pesquisa as quais avaliam em diversas variedades a aplicação da luz síncrotron na sociedade”
9	“Seria as estações, elas servem para que quando a partícula atingir sua velocidade máxima (que seria a velocidade da luz) elas possam estacionar a velocidade. E também, para que os pesquisadores possam realizar seus experimentos científicos usando a luz síncrotron gerada pelo acelerador de partículas”
10	“Estações experimentais, armazenar a energia”
11	“São cabines de pesquisa onde os feixes de luz em frequências específicas são captadas”
12	“São as estações onde fazem os experimentos das pesquisas”
13	“Para capturar as energias geradas pelo Sirius”
14	“Seriam cabines experimentais, os elétrons são “guiados” até elas”
15	“São compartimentos em que os componentes gerados pela luz síncrotron, são reservados e utilizados para diferentes pesquisas, incluindo alguns exames de saúde pela utilização da luz”
16	“São cabines experimentais onde diferentes pesquisas são desenvolvidas com a luz síncrotron”
17	“Seria o destino final da luz síncrotron; serve para receber a luz e estudar algo que está sendo pesquisado”
18	“Estações experimentais”
19	“Estações que trabalham com a luz que é emitida, em áreas específicas, com grupos de cientistas”
20	“São estações onde a luz emitida é estudada e utilizada no estudo de outras coisas”
21	“Estações onde chega a luz síncrotron e ocorre as pesquisas”
22	“São as estações de experimento que fazem pesquisas com as partículas”
23	“São estações tipo laboratórios onde vai haver as pesquisas em diversas áreas. Armazena a luz síncrotron”
24	“São estações experimentais que tem por objetivo usar a luz síncrotron em análises, estudos e pesquisas”
25	“Para o estudo do que for colocado lá dentro”
26	“Elas servem para armazenar os elétrons da luz síncrotron”

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