El efecto nube de electrones es un fenómeno que ocurre 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 errantes que ya flotan en el tubo y rebotan o lanzan los electrones hacia la pared. Estos electrones errantes pueden ser fotoelectrones de radiación sincrotrón o electrones de moléculas de gas ionizado. Cuando un electrón choca con la pared, esta emite más electrones debido a la emisión secundaria . Estos electrones a su vez chocan con otra pared, liberando cada vez más electrones en la cámara del acelerador.
Este efecto es especialmente problemático en las aceleraciones de positrones , donde los electrones son atraídos y se lanzan contra las paredes en 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 los electrones con alrededor de 300 eV de energía cinética , con una caída abrupta del efecto con menos de esa energía y una caída gradual con energías más altas, lo que ocurre porque los electrones se "entierran" profundamente dentro de las paredes del tubo del acelerador, lo que dificulta que los electrones secundarios escapen al 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 limitación grave en las corrientes de haz y en las corrientes totales del haz si se produce multipacificación . La multipacificación puede ocurrir cuando la dinámica de la nube de electrones puede alcanzar una resonancia con el espaciamiento de los haces del haz del acelerador. Esto puede causar inestabilidades a lo largo de un tren de haces e incluso inestabilidades dentro de un solo haz, que se conocen como inestabilidades de cabeza-cola.
Se han propuesto algunas soluciones para solucionar este problema, como colocar crestas en el tubo del acelerador, añadir antecámaras al tubo, recubrirlo para reducir la salida de electrones de la superficie o crear un campo eléctrico para atraer los electrones errantes. 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 en toda su longitud. Al pasar 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 del haz. [ cita requerida ]
El Gran Colisionador de Hadrones es muy propenso a la multipacificación debido al espaciamiento ajustado (25 ns) de sus haces de protones. Durante la Ejecución 1 (2010-2013), la operación científica utilizó principalmente haces con un espaciamiento 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 acanalada diseñada para minimizar la emisión de electrones secundarios, el efecto también se puede reducir mediante el bombardeo de electrones in situ. Esto se hace en el LHC circulando un haz de "depuración" especial no científico [ aclaración necesaria ] 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 espaciamiento de haces de 25 ns durante la Ejecución 2 (2015-2018).
Existen muchas formas distintas de medir la nube de electrones en una cámara de vacío. Cada una de ellas proporciona información sobre un aspecto diferente de la nube de electrones.
Los analizadores de campo retardante son rejillas locales en la pared de la cámara que permiten que escape parte de la nube. Estos electrones se pueden filtrar mediante un campo eléctrico y se puede medir el espectro de energía resultante. Los analizadores de campo retardante se pueden instalar en regiones de deriva, dipolos, cuadrupolos e imanes onduladores. Una limitación es que los analizadores de campo retardante miden solo la nube local y, debido a que miden la corriente, existe inherentemente un promedio de tiempo involucrado. El RFA también puede interactuar con la medición que está tomando a través de electrones secundarios de la rejilla retardante que son expulsados del RA y son expulsados nuevamente al dispositivo por el haz.
Los estudios de racimos testigos miden el cambio de tono a lo largo de racimos sucesivos en un tren y en un racimos testigo que se coloca en diferentes lugares detrás del tren. Dado que el cambio de tono está relacionado con la densidad de nubes centrales promediada en anillo, si se conoce el cambio de tono, se puede calcular la densidad de nubes centrales. Una ventaja de los estudios de racimos testigos es que los cambios de tono se pueden medir racimos por racimos 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 desplazamiento de fase dependiente de la densidad en la radiofrecuencia. El desplazamiento de fase se puede medir como bandas laterales de frecuencia que luego se pueden convertir nuevamente en una densidad de plasma.