análise de diferentes mecanismos físicos para obter

Título
Equipe
Vinculação a projetos
Descrição
ANÁLISE DE DIFERENTES MECANISMOS FÍSICOS PARA
OBTER ACELERADORES COMPACTOS
Yasmara C. De Polli, Antonio C.J. Paes e Francisco Sircilli do IEAv;
Antonio Serbeto da UFF e M. Virgínia Alves do INPE
Vinculado à Divisão de Física Aplicada.
Aceleradores de elétrons compactos são aceleradores de partículas
que têm taxa de aceleração superior a 10 MeV/m. Este valor é praticamente
o limite da taxa de aceleração de aceleradores convencionais que operam
com radiofreqüência (linacs). O acelerador em construção no IEAv tem essa
taxa nominal de aceleração.
Presentemente, estes aceleradores compactos que utilizam ondas
eletromagnéticas ou ondas de plasma vêm sendo intensamente pesquisados
quer teórica, quer experimentalmente. Eles serão extremamente úteis, seja
no campo de investigações de fenômenos na área de Física de Partículas,
pois permitirão obter feixes de elétrons e pósitrons com energia muito maior
com máquinas que apresentam as mesmas dimensões dos atuais
aceleradores, seja no campo de aplicações industriais, no desenvolvimento
de novos materiais e nas áreas de medicina e biologia, nas quais certamente
seria conveniente utilizar um acelerador que pudesse ser transportado numa
pasta, como os atuais “notebooks”.
Neste trabalho realizamos uma comparação entre quatro tipos
diferentes de mecanismos aceleradores, usando um modelo equivalente ao
modelo de partícula única relatívístico (equivalente, pois na realidade são
usados 300 elétrons, todos tratados como no modelo de partícula única, ou
seja, movendo-se sob a ação de campos prescritos).
Para cada elétron resolvemos três equações de evolução temporal,
sendo uma para a variável z (correspondente à coordenada na direção
longitudinal) e as outras duas para os momentos nas direções x e z. Os
elétrons evoluem no tempo sob a ação de campos elétricos Ex e Ez e campos
magnéticos By. Este modelo aplica-se muito bem a feixes de baixa
perveância (esse parâmetro mede, em essência, o efeito da carga espacial no
feixe de elétrons). Como resultado das simulações obtemos a evolução
temporal da energia média do feixe, perfis da distribuição de energia do
feixe na saída da região de interação e histogramas da distribuição de
energia, para os quatro mecanismos de aceleração estudados e que passamos
a descrever sucintamente a seguir.
No mecanismo de aceleração através de batimentos, utilizam-se duas
ondas eletromagnéticas (lasers) cuja diferença de freqüência é igual a
freqüência do plasma subdenso, em que são lançadas. O batimento entre as
duas ondas gera ondas longitudinais que se propagam no plasma. Os
elétrons ressonantes “surfando” nestas ondas são acelerados. A taxa de
aceleração obtida com nossas simulações para este processo é da ordem de
150 MeV/cm.
Outro mecanismo de aceleração estudado foi o processo de
bremsstrahlung inverso não linear. Neste mecanismo, a partir do fato de que
a interação laser elétron efetua-se através do termo Exvx e do fato de que a
Recursos utilizados
(Humanos, materiais e
instalações/equipamentos.
força que o laser exerce sobre o elétron relativístico na direção x (direção
perpendicular) é quase nula, utiliza-se um campo elétrico externo E0x(z),
cuja magnitude é muito menor que a do campo elétrico do laser. Esse
campo elétrico atuando sobre o elétron faz com que o vx deste varie de tal
modo que o termo de interação Exvx permaneça sempre negativo, o que leva
o elétron a ganhar energia constantemente, uma vez que a variação da
energia cinética do elétron é dada por -eExvx. A taxa de aceleração obtida
com nossas simulações para este processo é da ordem de 15 MeV/cm.
Os dois últimos mecanismos simulados envolvem acelerações
baseadas em processos que envolvem lasers de elétrons livres. Experiências
bem sucedidas com lasers de elétrons livres mostraram que é possível haver
transferência de energia do elétron para o laser. No caso do laser de elétrons
livres inverso a energia é transferida do laser para os elétrons. Simulamos o
mecanismo de aceleração de alta energia baseado no laser de elétrons livres
inverso. Para os parâmetros utilizados obtivemos uma taxa de aceleração
muito inferior a prevista teoricamente, sendo que rapidamente os elétrons
param de acelerar. No último mecanismo que envolve a configuração de
lasers de elétrons livres com um plasma de fundo, ondas de Langmuir são
excitadas no plasma e aceleram os elétrons. Com nossas simulações
obtivemos para este último mecanismo taxa de aceleração de cerca de 50
MeV/m.
Atualmente, estão envolvidos diretamente no projeto três
pesquisadores do IEAv, um pesquisador da UFF e uma pesquisadora do
INPE, todos em tempo parcial. O projeto aqui no IEAv está sendo
desenvolvido na Divisão de Física Aplicada, utilizando um micro dual P-III
500 MHZ, 512 Mbytes de memória, HD 15GB e usando Compaq Visual
Fortran para os cálculos, além de outros micros da EFA e do INPE.
Recursos adicionais
necessários
Capacitações
adquiridas.
Compreensão de possíveis mecanismos de aceleração de elétrons,
que no futuro poderão viabilizar o desenvolvimento de aceleradores
compactos.
Produtos obtidos.
O trabalho “Comparison of Physical Mechanisms of Different
Compact Electron Accelerators” foi apresentado, na forma de painel, no 6°
Encontro Brasileiro de Física dos Plasmas, realizado no Hotel Leão da
Montanha em Campos do Jordão, SP, de 1 a 5 de Dezembro de 2001 (Livro
de Programa e Resumos do 6° Encontro Brasileiro de Física dos Plasmas,
pg.23). Um artigo com o mesmo título do trabalho mencionado foi escrito e
submetido ao Brazilian Journal of Physics.
Fonte
Aporte (R$)
Recursos financeiros
aplicados.
Parcialmente FAPESP (Proj. 99/12468-8)
34.415,00