Efecto Smith-Purcell

El efecto Smith-Purcell fue el precursor del láser de electrones libres (FEL). Fue estudiado por Steve Smith, un estudiante de posgrado bajo la dirección de Edward Purcell . En su experimento, enviaron un haz energético de electrones muy paralelo a la superficie de una rejilla de difracción óptica reglada y generaron así luz visible . ^[1] Smith demostró que había un efecto insignificante en la trayectoria de los electrones inductores. Esencialmente, se trata de una forma de radiación Cherenkov en la que la velocidad de fase de la luz ha sido alterada por la rejilla periódica. Sin embargo, a diferencia de la radiación de Cherenkov, no existe una velocidad mínima o umbral de las partículas.

La radiación de Smith-Purcell es particularmente atractiva para aplicaciones que involucran diagnóstico de haz no destructivo (diagnóstico de longitud de haz en aceleradores, por ejemplo) y especialmente como fuente viable de radiación de THz , que tiene usos más amplios en campos diversos y de alto impacto como los materiales. ciencias, biotecnología, seguridad y comunicaciones, manufactura y medicina. Operar a frecuencias de THz también permite lograr gradientes de aceleración potencialmente grandes (~10 s GeV/m ^[2] ). Esto, junto con los métodos de aceleración de campo de estela de plasma que se están desarrollando y la tecnología de acelerador lineal (linac), podría allanar el camino hacia la próxima generación, compacta (y por lo tanto más barata) y menos propensa a la falla de RF (los límites actuales para los campos E de superficie son de los orden de 10 s-100 MV/m ^[3] ), linacs de alta producción de energía.

Fondo

Las partículas cargadas normalmente irradian/generan radiación a través de dos mecanismos diferentes:

1. Aceleración o cambio de dirección del movimiento: por ejemplo, radiación Bremsstrahlung (por ejemplo, en tubos de rayos X ), radiación sincrotrón (como en FEL debido a haces de electrones que pasan a través de configuraciones de ondulador / meneador , o un mecanismo de pérdida de energía del haz en colisionadores circulares ) .
2. Polarización: una carga en movimiento tiene un campo de Coulomb dinámico . Para un material conductor/ polarizable , la interacción entre este campo y las cargas en el material/medio podría generar radiación. Esto incluye Cherenkov y la radiación de transición , donde la partícula se mueve dentro del medio que genera la radiación, pero también la radiación de difracción, ^[4] donde las partículas (generalmente relativistas) se mueven en las proximidades del material objetivo, generando, por ejemplo, radiación de difracción óptica ( ODR) ^[5] y radiación Smith-Purcell (SPR).

La ventaja de utilizar radiación de polarización en particular es la falta de efecto directo sobre el haz original; el haz que induce la emisión radiativa puede continuar su trayectoria original inalterada y habiendo inducido radiación EM . Esto es diferente a los efectos bremsstrahlung o sincrotrón que en realidad alteran o doblan el haz entrante. Debido a esta característica no destructiva, SPR se ha convertido en una perspectiva interesante para el diagnóstico de haces, ofreciendo también la posibilidad de tecnologías confiables debido a que teóricamente no hay contacto ni interacciones de dispersión entre el haz y el objetivo.

El efecto Smith-Purcell

Relación de dispersión

Cuando una partícula cargada viaja por encima de una rejilla periódica (o falta de homogeneidad periódica del medio), se induce una corriente en la superficie de la rejilla. Esta corriente inducida luego emite radiación en las discontinuidades de la rejilla debido a la dispersión del campo de Coulomb de las cargas inducidas en los límites de la rejilla. La relación de dispersión para el efecto Smith-Purcell (SPE) se da de la siguiente manera: ^[6]

${\displaystyle \lambda ={\frac {L}{n}}\left({\frac {1}{\beta }}-\cos {\theta }\right)}$,

donde la longitud de onda se observa en ángulo con la dirección del haz de electrones para el modo de reflexión de orden, y es el período de la rejilla y es la velocidad relativa del electrón ( ). Esta relación se puede derivar considerando las leyes de conservación de la energía y del momento. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle n^{th}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle v/c}$

Referencias

1. Smith SJ, Purcell EM (15 de noviembre de 1953). "Luz visible de cargas superficiales localizadas que se mueven a través de una rejilla". Revisión física . 92 (4): 1069. doi : 10.1103/PhysRev.92.1069. ISSN  0031-899X.
2. Nanni EA, Huang WR, Hong KH, Ravi K, Fallahi A, Moriena G, et al. (octubre de 2015). "Aceleración de electrones lineal impulsada por terahercios". Comunicaciones de la naturaleza . 6 (1): 8486. doi : 10.1038/ncomms9486. PMC 4600735 . PMID  26439410. 
3. Jacewicz, M.; Ziemann, V.; Ekelöf, T.; Dubrovskiy, A.; Ruber, R. (21 de agosto de 2016). "Espectrómetros para estudios de ruptura de RF para CLIC". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 828 : 63–71. doi : 10.1016/j.nima.2016.05.031 . ISSN  0168-9002.
4. Karlovets, DV; Potylitsyn, AP (2008). "Sobre la teoría de la radiación de difracción". Átomos, Moléculas, Óptica . 107 (5): 755–768. doi :10.1134/s1063776108110058. S2CID  121821580.
5. Fiorito, RB; Shkvarunets, AG; Watanabe, T.; Yakimenko, V.; Snyder, D. (24 de mayo de 2006). "Interferencia de radiación de difracción y transición y su aplicación como diagnóstico de divergencia de haz". Temas especiales de revisión física: aceleradores y haces . 9 (5): 052802. arXiv : física/0605110 . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.9.052802 . ISSN  1098-4402.
6. Andrews HL, Boulware CH, Brau CA, Jarvis JD (20 de mayo de 2005). "Dispersión y atenuación en un láser de electrones libres de Smith-Purcell". Temas especiales de revisión física: aceleradores y haces . 8 (5): 050703. doi : 10.1103/PhysRevSTAB.8.050703 . ISSN  1098-4402.