Efecto de nube electrónica

El efecto de nube de electrones es un fenómeno que se produce en los aceleradores de partículas y reduce la calidad del haz de partículas .

Las nubes de electrones se crean cuando partículas cargadas aceleradas perturban a los electrones dispersos que ya flotan en el tubo, impulsándolos contra la pared. Estos electrones dispersos pueden ser fotoelectrones provenientes de la radiación sincrotrón o electrones de moléculas de gas ionizadas. Cuando un electrón choca contra la pared, esta emite más electrones debido a la emisión secundaria . Estos electrones, a su vez, chocan contra otra pared, liberando cada vez más electrones en la cámara aceleradora.

Este efecto resulta especialmente problemático en las aceleraciones de positrones , donde los electrones son atraídos y rebotan contra las paredes con ángulos de incidencia variables . Los electrones con carga negativa liberados de las paredes del acelerador son atraídos por el haz con carga positiva y forman una "nube" a su alrededor.

El efecto es más pronunciado para electrones con una energía cinética de alrededor de 300 eV , con una fuerte disminución del efecto a energías inferiores a esa cantidad y una disminución gradual a energías más altas, lo que ocurre porque los electrones se "entierran" profundamente dentro de las paredes del tubo acelerador, lo que dificulta que los electrones secundarios escapen al interior del tubo.

El efecto también es más pronunciado para ángulos de incidencia mayores (ángulos más alejados de la normal ).

El crecimiento de la nube de electrones puede limitar gravemente las corrientes de los paquetes y las corrientes totales del haz si se produce multipacting . El multipacting se produce cuando la dinámica de la nube de electrones alcanza una resonancia con el espaciado entre paquetes del haz del acelerador. Esto puede provocar inestabilidades a lo largo de una cadena de paquetes e incluso inestabilidades dentro de un mismo paquete, conocidas como inestabilidades de cabeza-cola.

Se han propuesto varias soluciones para abordar este problema, como añadir estrías al tubo acelerador, incorporar antecámaras, recubrir el tubo para reducir la emisión de electrones desde la superficie o crear un campo eléctrico para atraer los electrones dispersos. En el acelerador PEP-II del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC , el tubo de vacío que contiene el anillo de positrones tiene un cable enrollado a lo largo de toda su longitud. Al hacer circular una corriente a través de este cable, se crea un campo magnético solenoidal que tiende a contener los electrones liberados de las paredes del tubo.

El Gran Colisionador de Hadrones es muy propenso a la multipactación debido al estrecho espaciado (25  ns) de sus haces de protones. Durante la primera fase de operación (2010-2013), la operación científica empleó principalmente haces con  un espaciado de 50 ns, mientras que  los haces de 25 ns solo se utilizaron para pruebas cortas en 2011 y 2012. ^{[ 1 ]} Además de utilizar una pantalla de haz acanalada diseñada para minimizar la emisión de electrones secundarios, el efecto también puede reducirse mediante el bombardeo de electrones in situ. Esto se realiza en el LHC haciendo circular un haz especial de "limpieza" no científico que está diseñado específicamente para generar la mayor cantidad de electrones posible dentro de las limitaciones de disipación de calor y estabilidad del haz. Esta técnica se probó durante la primera fase de operación y se utilizará para permitir la operación con  un espaciado de haces de 25 ns durante la segunda fase de operación (2015-2018).

Existen muchas maneras diferentes de medir la nube de electrones en una cámara de vacío . Cada una proporciona información sobre un aspecto diferente de la nube de electrones.

Los analizadores de campo retardador son rejillas locales en la pared de la cámara que permiten que parte de la nube escape. Estos electrones pueden filtrarse mediante un campo eléctrico y medirse el espectro de energía resultante. Los analizadores de campo retardador pueden instalarse en regiones de deriva, dipolos, cuadrupolos e imanes onduladores. Una limitación es que los analizadores de campo retardador solo miden la nube local y, dado que miden la corriente, implican un promedio temporal. El analizador de campo retardador también puede interactuar con la medición que está realizando a través de electrones secundarios de la rejilla retardadora que son expulsados ​​del analizador y devueltos al dispositivo por el haz.

Los estudios de grupos testigo miden el cambio de tono a lo largo de grupos sucesivos en una formación y en un grupo testigo ubicado en diferentes posiciones detrás de la formación. Dado que el cambio de tono está relacionado con la densidad central de la nube promediada en anillo, si se conoce el cambio de tono, se puede calcular la densidad central de la nube. Una ventaja de los estudios de grupos testigo es que los cambios de tono se pueden medir grupo por grupo, lo que permite medir la evolución temporal de la nube.

La cámara de vacío de un acelerador puede utilizarse como guía de ondas para la transmisión de radiofrecuencia. En su interior, se pueden propagar ondas transversales eléctricas. La nube de electrones actúa como plasma y provoca un desfase dependiente de la densidad en la radiofrecuencia. Este desfase se puede medir como bandas laterales de frecuencia, que posteriormente se pueden convertir en la densidad del plasma.

• J. Crisp; N. Eddy; I. Kourbanis; K. Seiya; B. Zwaska (2009). "Medición de la densidad de la nube de electrones con microondas en el inyector principal de Fermilab" (PDF) . Actas de DIPAC09, Basilea, Suiza .
• J. Wei; M. Bai; M. Blaskiewicz; P. Cameron; R. Connolly; A. Della Penna; W. Fischer; H.-C. Hseuh; H. Huang (2006). "Inestabilidades de la nube electrónica y de un solo haz en el Colisionador Relativista de Iones Pesados" (PDF) . Actas de HB2006, Tsukuba, Japón .

• "Acumulación de nube de electrones en el sincrotrón de protones ISIS y máquinas relacionadas", por G. Bellodi
• Artículo "Luchando contra las nubes" en la revista Symmetry .
• Wiki de CESRTA de Cornell
• "Cloudscapes - Diagnóstico de nubes de electrones en aceleradores de partículas positivas", por Paul Preuss. Archivado el 23 de agosto de 2009 en Wayback Machine.