Orientadores: Antonio Rubens B. de Castro, Yves Baconnier

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: A teoria da neutralização de feixes pulsados de elétrons por ionização do gás residual é revisada. A dinâmica dos íons aprisionados sob a ação do campo elétrico do feixe e do campo magnético homogêneo dos magnetos defletores é analisada, assim como o efeito de aquecimento dos íons por...

Resumo: A teoria da neutralização de feixes pulsados de elétrons por ionização do gás residual é revisada. A dinâmica dos íons aprisionados sob a ação do campo elétrico do feixe e do campo magnético homogêneo dos magnetos defletores é analisada, assim como o efeito de aquecimento dos íons por colisões Coulombianas com os elétrons do feixe. Finalmente, os efeitos da neutralização sobre o feixe de elétrons são estimados, com especial atenção ao deslocamento e dispersão da sintonia bétatron.
Uma série de experimentos, nos quais os fótons de bremsstrahlung produzidos em colisões dos elétrons circulantes com os núcleos de íons aprisionados no EPA (Electron Positron Accumulator do CERN) foram utilizados para detectar diretamente os íons, é relatada. Os resultados experimentais são compreendidos à luz de um modelo simples do processo de neutralização, cujos principais ingredientes são as seções de choque de ionização e dissociação molecular do monóxido de carbono e do hidrogênio molecular e dos íons deles derivados (uma compilação de seções de choque teóricas e experimentais disponíveis na literatura para os vários processos envolvidos é apresentada numa forma conveniente para aplicação nas energias de interesse em aceleradores circulares). O modelo prediz que, em situações de alta neutralização, uma fração apreciável da densidade iônica é composta por átomos de carbono várias vezes ionizados.
O acoplamento bétatron produzido pelos campo eletrostático de uma nuvem Gaussiana de íons aprisionados é calculado na proximidade da ressonância de acoplamento de Quarta ordem 2Qx - 2Qy = O. O acoplamento obtido é consideravelmente menor que o observado experimentalmente. Hipóteses são levantadas para justificar esta discrepância e experimentos são sugeridos.
A distribuição transversal dos íons aprisionados no interior do feixe de elétrons é analisada no limite de neutralização nula (através da equação de Liouville) e no limite de distribuição térmica (em que a distribuição canônica -Maxwell- Boltzmann - é obtida de forma auto-consistente) .Em ambos os casos, verifica-se, ao contrário de suposição comumente feita na literatura (de que a distribuição iônica é idêntica à distribuição eletrônica), que a nuvem iônica é constituída de um caroço central muito mais estreito que o feixe de elétrons. As conseqüências em termos do desvio e dispersão da sintonia do feixe de elétrons são discutidas

Abstract: The theory of the neutralization of bunched electron beams by ionization of the residual gas is reviewed. The dynamics of trapped ions under the action of the beam generated electric fields and the homogeneous magnetic field of bending magnets is discussed, as well as the heating of the...

Abstract: The theory of the neutralization of bunched electron beams by ionization of the residual gas is reviewed. The dynamics of trapped ions under the action of the beam generated electric fields and the homogeneous magnetic field of bending magnets is discussed, as well as the heating of the ions by Coulomb collisions with the circulating electrons. Finally, the effects of the neutralization on the electron beam are discussed, with emphasis on the betatron tune shifts and spreads.
A series of experiments, in which the bremsstrahlung photons produced in collisions of the circulating electrons with the nuclei of trapped ions in the CERN Electron Positron Accumulator (EPA) were used to detect directly the ions, is reported. The experimental results are understood in the light of a simple model of the neutralization process, the main ingredients of which are the ionization and molecular dissociation cross sections of carbon monoxide, molecular hydrogen and their ions (a compilation of available experimental and theoretical cross sections for the various processes involved is presented in a form convenient for application at the energies of interest in circular accelerators). The model predicts that, in high neutralization situations, multiply ionized carbon atoms account for a significant fraction of the ion density.
The betatron coupling produced by the electric field of a Gaussian cloud of trapped ions is calculated in the vicinity of the fourth-order 2Qx - 2Qy coupling resonance. The resulting coupling is much smaller than what is observed experimentally. Hypotheses are put forward to explain this discrepancy and experiments are suggested.
The transverse distribution of trapped ions is calculated in the limit of vanishing neutralization (by means of the Liouville equation) and in the thermal equilibrium limit (by means of the canonical -Maxwell-Boltzmann -distribution, which is solved self-consistently). In both cases, the ion distribution is found to be composed of a central core much narrower than the beam, in contrast with the widely used assumption that the ion distribution is a replica of the beam distribution. The consequences in terms of the betatron tune shifts and spreads are discussed.