Forsker eksperimenterer med elektron-plasma-interaktioner

Et papir om forskning udført af Meirielen Caetano de Sousa, postdoc ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, er fremhævet som Editor's Pick i septembernummeret af Plasmas fysik , udgivet af American Institute of Physics i samarbejde med The American Physical Society. Papiret, med titlen "Bølge-partikel-interaktioner i et langt vandrende bølgerør med opgraderet helix", er underskrevet af Sousa, Iberê Caldas, hendes supervisor hos IF-USP, og samarbejdspartnere ved Aix-Marseille Universitet i Frankrig, hvor Sousa tjente et forskningspraktik med støtte fra et stipendium fra FAPESP (São Paulo Research Foundation) og CAPES, det brasilianske undervisningsministeriums højere forskningsråd.

Fokus for Sousas forskning var en eksperimentel undersøgelse af elektron-plasma-interaktioner. Fordi plasma er et medium med betydelig baggrundsstøj, betingelser, der var analoge med plasmas, blev simuleret i et vakuum ved brug af korte elektromagnetiske bølger, der forplantede sig i et vandrende bølgerør eller TWT.

"TWT'er er enheder, hvor elektromagnetiske bølger interagerer med elektronstråler, " Sousa forklarede. "Industrielle TWT'er er mellem 2 cm og 30 cm lange og bruges hovedsageligt til at forstærke radiofrekvenssignaler i rumkommunikation. TWT ved Aix-Marseille Universitet er 4 m lang og specielt designet til forskning i plasmafysik med et meget lavt støjniveau. Det er i øjeblikket den eneste af sin slags i drift i verden."

Bølgerne produceres ved frekvenser fra 10 til 100 megahertz (det mellemliggende område af radiobåndet i det elektromagnetiske spektrum) af en bølgeformsgenerator og udbreder sig gennem en helix koblet til TWT'ens vandrette akse. Helixen er for nylig blevet opgraderet for at gøre den så regelmæssig som muligt. Sousa deltog i opgraderingen, og hendes studie ville ikke have været mulig uden det. I sin tidligere konfiguration, TWT var mindre præcis på grund af små variationer i helixens stigning og dermed i den genererede bølgeform.

"I den første del af undersøgelsen analyserede vi bølgeudbredelse uden elektronstrålen, " sagde Sousa. "Vi fandt fremragende overensstemmelse mellem de teoretiske forudsigelser og de eksperimentelle data. Det betyder både, at den teoretiske model producerede nøjagtige forudsigelser, og at enheden fungerede perfekt."

Men de virkelig vigtige resultater blev frembragt i anden del, som bestod i en undersøgelse af samspillet mellem den elektromagnetiske bølge og elektronstrålen. "Vi observerede energiudvekslingen mellem bølgen og elektronerne, " sagde Sousa. "Elektronerne rejser lidt hurtigere end bølgens fasehastighed og transmitterer denne kinetiske energiforskel til bølgen, øger dens amplitude. Når bølgen når maksimal amplitude, det begynder at svinge, stiger og falder, og elektronerne er fanget i bølgepotentialet, med deres hastigheder varierende omkring bølgefasens hastighed. De overfører energi til bølgen og modtager derefter energi fra bølgen."

For lave værdier af elektrisk strøm, tilføjede hun, fænomenet matcher de lineære teoris forudsigelser, men når strømværdierne er høje interagerer elektronerne ikke kun med bølgen, men også med hinanden. Dette resulterer i, at ikke-lineære effekter ikke længere stemmer overens med teoretiske forudsigelser.

"At studere disse effekter er et mål med de fremtidige eksperimenter, vi planlægger, " sagde Sousa. "En anden studerer ikke-monokinetiske stråler, hvor elektronerne bevæger sig med forskellige hastigheder, og interaktionen mellem disse stråler og et bredt bølgespektrum, hvilket betyder flere bølger, der udbreder sig på samme tid inde i enheden."

Den afsluttede undersøgelse og de planlagte eksperimenter er inden for grundvidenskab, at undersøge nøjagtigheden af ​​grænseteorien og fænomener, der endnu ikke er beskrevet tilstrækkeligt af den teoretiske model. Mulige teknologiske anvendelser er i horisonten, imidlertid. "En mere umiddelbar anvendelse ville være opgradering af industrielle TWT'er. En mere ambitiøs ville være at bidrage til opgraderinger af andre enheder, der bruger interaktionen mellem elektromagnetiske bølger og elektrisk ladede partikler, såsom partikelacceleratorer, for eksempel, " sagde Sousa.

Ud over stipendiet for forskningspraktik i udlandet tildelt Sousa, FAPESP støttede undersøgelsen via et direkte doktorgradsstipendium og et postdocstipendium, også tildelt Sousa; og et tematisk projekt om "Ikke-lineær dynamik", ledet af Caldas.