Эффект электронного облака

Эффект электронного облака — явление, которое возникает в ускорителях частиц и снижает качество пучка частиц .

Объяснение

Электронные облака создаются, когда ускоренные заряженные частицы возмущают блуждающие электроны, уже плавающие в трубке, и отбрасывают электроны в стену. Эти блуждающие электроны могут быть фотоэлектронами синхротронного излучения или электронами ионизированных молекул газа. Когда электрон сталкивается со стенкой, стена испускает больше электронов за счет вторичной эмиссии . Эти электроны, в свою очередь, ударяются о другую стенку, выпуская все больше и больше электронов в камеру ускорителя.

Усугубляющие факторы

Этот эффект особенно опасен при ускорении позитронов , когда электроны притягиваются и врезаются в стенки под разными углами падения . Отрицательно заряженные электроны, высвободившиеся из стенок ускорителя, притягиваются к положительно заряженному пучку и образуют вокруг него «облако».

Эффект наиболее выражен для электронов с 300 эВ около кинетической энергией - с резким спадом эффекта при энергии меньше этой и постепенным спадом при более высоких энергиях, что происходит потому, что электроны «закапывают» себя глубоко внутри. стенки ускорительной трубки, что затрудняет выход вторичных электронов в трубку.

Эффект также более выражен при более высоких углах падения (углах, находящихся дальше от нормали ).

Рост электронного облака может стать серьезным ограничением токов сгустков и полных токов пучка, если мультипактирование происходит . Мультипактирование может произойти, когда динамика электронного облака может достичь резонанса с расстоянием между сгустками пучка ускорителя. Это может вызвать нестабильности вдоль пакета сгустков и даже нестабильности внутри одного сгустка, которые известны как неустойчивости «голова-хвост».

Предлагаемые средства правовой защиты

Для решения этой проблемы было предложено несколько средств, таких как установка ребер в трубке ускорителя, добавление предкамер к трубке, покрытие трубки для уменьшения выхода электронов с поверхности или создание электрического поля для притягивания блуждающих электронов. В PEP-II ускорителе Национальной ускорительной лаборатории SLAC вакуумная труба, в которой находится позитронное кольцо, имеет проволоку, намотанную по всей длине. Пропускание тока через этот провод создает соленоидальное магнитное поле , которое имеет тенденцию удерживать электроны, высвободившиеся из стенок лучевой трубы. ^{[ нужна ссылка ]}

Большой адронный коллайдер очень склонен к мультипакту из-за небольшого расстояния (25 нс) между сгустками протонов. Во время запуска 1 (2010–2013 гг.) в научной работе в основном использовались лучи с интервалом 50 нс, тогда как лучи с длительностью 25 нс использовались только для коротких испытаний в 2011 и 2012 годах. ^{[ 1 ]} Помимо использования ребристого лучевого экрана, предназначенного для минимизации вторичной эмиссии электронов, эффект также можно уменьшить с помощью электронной бомбардировки на месте. Это делается на БАКе путем распространения специального ненаучного ^{[ нужны разъяснения ]} «очищающий» луч, специально разработанный для генерации как можно большего количества электронов с учетом ограничений рассеивания тепла и стабильности луча. Этот метод был протестирован во время запуска 1 и будет использоваться для обеспечения работы с интервалом между пучками 25 нс во время запуска 2 (2015–2018 гг.).

Методы измерения

Существует множество различных способов измерения электронного облака в вакуумной камере. Каждый из них дает представление о различных аспектах электронного облака.

Анализаторы замедляющего поля представляют собой локальные сетки в стенке камеры, которые позволяют части облака выходить наружу. Эти электроны можно фильтровать с помощью электрического поля и измерять результирующий энергетический спектр. Анализаторы тормозящего поля могут быть установлены в областях дрейфа, диполях, квадруполях и вигглеровских магнитах. Ограничением является то, что анализаторы замедляющего поля измеряют только локальное облако, а поскольку они измеряют ток, по сути, требуется некоторое усреднение по времени. RFA также может взаимодействовать с измерениями, которые он проводит, посредством того, что вторичные электроны из замедляющей сетки выбрасываются из RA и отбрасываются лучом обратно в устройство.

Исследования группы-свидетеля измеряют сдвиг мелодии в последовательных группах в поезде и в группе-свидетеле, расположенной в разных местах позади поезда. Поскольку сдвиг настройки связан с усредненной по кольцу плотностью центрального облака, если сдвиг настройки известен, можно рассчитать плотность центрального облака. Преимущество исследований групп-свидетелей состоит в том, что сдвиги настроек можно измерять по группам, и таким образом можно измерить эволюцию облака во времени.

Вакуумную камеру ускорителя можно использовать как волновод для передачи радиочастот. В камере могут распространяться поперечные электрические волны. Электронное облако действует как плазма и вызывает зависящий от плотности фазовый сдвиг в РЧ. Фазовый сдвиг можно измерить как боковые полосы частот, которые затем можно преобразовать обратно в плотность плазмы.

Дальнейшее чтение

Дж. Крисп; Н. Эдди; И. Курбанис; К. Сейя; Б. Зваска (2009). «Измерение плотности электронного облака с помощью микроволн в главном инжекторе Фермилаб» (PDF) . Учеб. DIPAC09, Базель, Швейцария .
Дж. Вэй; М. Бай; М. Бласкевич; П. Кэмерон; Р. Коннолли; А. Делла Пенна; В. Фишер; Х.-К. Хсеух; Х. Хуан (2006). «Электронное облако и одиночные сгустки нестабильностей в релятивистском коллайдере тяжелых ионов» (PDF) . Учеб. HB2006, Цукуба, Япония .

Ссылки

^ Ядарола, Г.; Бартосик, Х.; Румоло, Г.; Ардуини, Г.; Баглин, В.; Банфи, Д.; Клоде, С.; Домингес, О.; Мюллер, Дж. Эстебан; Пиелони, Т.; Шапошникова Е.; Тавиан, Л.; Заннини, К.; Циммерманн, Ф. (17 июня 2014 г.). Анализ наблюдений электронного облака с интервалом между сгустками 25 нс на БАК (PDF) . IPAC2014: Материалы 5-й Международной конференции по ускорителям частиц .

Внешние ссылки

[1] Ядарола, Г.; Бартосик, Х.; Румоло, Г.; Ардуини, Г.; Баглин, В.; Банфи, Д.; Клоде, С.; Домингес, О.; Мюллер, Дж. Эстебан; Пиелони, Т.; Шапошникова Е.; Тавиан, Л.; Заннини, К.; Циммерманн, Ф. (17 июня 2014 г.). Анализ наблюдений электронного облака с интервалом между сгустками 25 нс на БАК (PDF) . IPAC2014: Материалы 5-й Международной конференции по ускорителям частиц .

[ 1 ]