El efecto 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 los electrones perdidos que ya flotan en el tubo y hacen rebotar o lanzar los electrones hacia la pared. Estos electrones perdidos pueden ser fotoelectrones de radiación sincrotrón o electrones de moléculas de gas ionizado. Cuando un electrón choca contra la pared, la pared 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 del acelerador.
Este efecto es especialmente un problema en las aceleraciones de positrones , donde los electrones son atraídos y lanzados hacia las paredes en ángulos de incidencia variables . Los electrones cargados negativamente liberados de las paredes del acelerador son atraídos por el haz cargado positivamente y forman una "nube" a su alrededor.
El efecto es más pronunciado para los electrones con alrededor de 300 eV de energía cinética , con una caída pronunciada del efecto a menos de esa energía y una caída gradual a energías más altas, lo que ocurre porque los electrones se "entierran" profundamente en su interior. las paredes del tubo del acelerador, lo que dificulta que los electrones secundarios escapen al interior del tubo.
El efecto también es más pronunciado para ángulos de incidencia más altos (ángulos más alejados de lo normal ).
El crecimiento de la nube de electrones puede ser una grave limitación en las corrientes de haz y en las corrientes totales del haz si se produce multipactación . La multipactación puede ocurrir cuando la dinámica de la nube de electrones puede lograr una resonancia con el espaciado de los haces del haz del acelerador. Esto puede causar inestabilidades a lo largo de un tren de grupo e incluso inestabilidades dentro de un solo grupo, que se conocen como inestabilidades cabeza-cola.
Se han propuesto algunos remedios para solucionar este problema, como colocar crestas en el tubo del acelerador, añadir antecámaras al tubo, revestir el tubo para reducir la producción de electrones de la superficie o crear un campo eléctrico para atraer electrones perdidos. En el acelerador PEP-II del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC , el tubo de vacío que contiene el anillo de positrones tiene un cable enrollado en toda su longitud. Pasar una corriente a través de este cable crea un campo magnético solenoidal que tiende a contener los electrones liberados de las paredes del tubo del haz. [ cita necesaria ]
El Gran Colisionador de Hadrones es muy propenso a multipactar debido al estrecho espacio (25 ns) de sus haces de protones. Durante la ejecución 1 (2010-2013), la operación científica utilizó principalmente haces con un espaciado de 50 ns, mientras que los haces de 25 ns solo se emplearon para pruebas cortas en 2011 y 2012. [1] Además de utilizar una pantalla de haz nervada diseñada para minimizar la emisión secundaria de electrones , el efecto también puede reducirse mediante bombardeo de electrones in situ. Esto se hace en el LHC haciendo circular un haz de "depuración" especial no científico [ se necesita aclaración ] que está diseñado específicamente para generar tantos electrones como sea posible dentro de las limitaciones de disipación de calor y estabilidad del haz. Esta técnica se probó durante la ejecución 1 y se utilizará para permitir la operación con un espaciado de grupos de 25 ns durante la ejecución 2 (2015-2018).
Hay muchas formas diferentes de medir la nube de electrones en una cámara de vacío. Cada uno ofrece información sobre un aspecto diferente de la nube de electrones.
Los analizadores de campo retardadores 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 retardadores se pueden instalar en regiones de deriva, dipolos, cuadrupolos e imanes móviles. Una limitación es que los analizadores de campo retardadores miden sólo la nube local y, debido a que miden la corriente, inherentemente implica algún promedio de tiempo. El RFA también puede interactuar con la medición que está tomando a través de electrones secundarios de la rejilla de retardo que son expulsados del RA y devueltos al dispositivo por el haz.
Los estudios de grupos de testigos miden el cambio de tono a lo largo de grupos sucesivos en un tren y en un grupo de testigos que se coloca en distintos lugares detrás del tren. Dado que el cambio de sintonía está relacionado con la densidad de la nube central promediada en anillo, si se conoce el cambio de sintonía, se puede calcular la densidad de la nube central. Una ventaja de los estudios de grupos de testigos es que los cambios de tono se pueden medir grupo por grupo y, por lo tanto, se puede medir la evolución temporal de la nube.
La cámara de vacío de un acelerador se puede utilizar como guía de ondas para la transmisión de radiofrecuencia. En la cámara se pueden propagar ondas eléctricas transversales. La nube de electrones actúa como un plasma y provoca un cambio de fase dependiente de la densidad en la RF. El cambio de fase se puede medir como bandas laterales de frecuencia que luego se pueden convertir nuevamente en densidad de plasma.