전자 구름 효과 - Electron-cloud effect

전자 구름 - Electron-cloud effect

전자구름은 가속 전하를 띤 입자가 이미 관에 떠 있는 표류 전자를 방해하고, 전자를 튕기거나 벽에 쏠 때 생성된다. 이러한 표류 전자는 싱크로트론 방사선의 광전자 또는 이온화된 가스 분자의 전자가 될 수 있다. 전자가 벽에 부딪히면 벽은 2차 방출로 인해 더 많은 전자를 방출한다. 이 전자들은 차례로 다른 벽에 부딪쳐 점점 더 많은 전자를 가속기실로 방출한다.

발생 요인

이 효과는 특히 전자가 끌리고 가변 입사각으로 벽으로 새총이 들어오는 양전자 가속도에서 문제가 된다. 가속기 벽에서 해방된 음전하 전자는 양전하 빔에 이끌려 그 주위에 "구름"을 형성한다. 그 효과는 약 300eV의 운동 에너지를 가진 전자에 대해 가장 뚜렷하게 나타난다. 즉, 그 에너지보다 낮은 에너지에서 그 효과가 급격히 떨어지고 높은 에너지에서 점진적으로 떨어지는 것이다. 이는 전자가 가속기 튜브의 벽 안쪽 깊숙한 곳에 숨기 때문에 2차 전자가 튜브로 빠져나오기가 어렵기 때문이다. 그 효과는 더 높은 발생 각도(정상으로부터 더 먼 각도)에서도 더 뚜렷하게 나타난다. 전자구름 성장은 다중작용이 발생할 경우 다발 전류와 총 빔 전류의 심각한 제한이 될 수 있다. 전자구름 역학이 가속기 빔의 뭉치 간격과 함께 공명할 수 있을 때 다중작용이 발생할 수 있다. 이것은 열차를 따라 불안정을 야기할 수 있고 심지어 머리꼬리 불안정으로 알려진 한 묶음 내 불안정을 야기할 수 있다.

대책

이를 대처하기 위해 가속기 튜브에 능선을 넣거나, 튜브에 테크캠버스를 넣거나, 표면에서 전자의 수율을 줄이기 위해 튜브를 코팅하거나, 유유한 전자를 끌어들이기 위한 전기장을 만드는 등의 몇 가지 해결책이 제안되었다. SLAC 국립가속기 연구소의 PEP-II 가속기에서는 양전자 링이 들어 있는 진공 파이프의 전체 길이에 와이어가 꼬여 있다. 이 와이어를 통해 전류를 흐르면 빔 파이프 벽에서 방출된 전자를 포함하는 경향이 있는 솔레노이드 자기장이 생성된다. 대형 하드론 충돌기는 양성자 번들의 좁은 간격(25ns) 때문에 다중 작용이 매우 쉽다. 1차 테스트(2010~2013년) 동안 과학 운영은 주로 50ns 간격을 가진 빔을 사용했으며, 25ns 빔은 2011년과 2012년에 단시간 테스트에만 사용됐다. 2차 전자 방출을 최소화하도록 설계된 리브드 빔 스크린을 사용하는 것 외에, 현장 전자 폭격에 의해 그 효과도 감소할 수 있다. 이는 LHC에서 열 분산 및 빔 안정성의 제약조건 내에서 가능한 많은 전자를 발생시키도록 특별히 설계된 특수 비과학 "스크럽빙" 빔을 순환함으로써 이루어진다. 이 기법은 1차 주행 중에 테스트되었으며, 2차 테스트(2015–2018) 동안 25 ns 묶음 간격으로 작동이 가능하도록 하기 위해 사용된다.

측정 방법

진공실에서 전자구름을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있다. 각각의 것들은 전자 구름의 다른 측면에 대한 통찰력을 준다. 지연 현장 분석기는 일부 구름을 빠져나갈 수 있도록 하는 챔버 벽의 국부적 그리드다. 이 전자들은 전기장으로 필터링될 수 있고 그 결과 에너지 스펙트럼을 측정할 수 있다. 지연 자기장 분석기는 표류 지역, 쌍중점, 사분점, 위글러 자석에 설치할 수 있다. 한 가지 제한 사항은 지연 현장 분석기가 로컬 클라우드만 측정한다는 것이며, 전류를 측정하기 때문에 본질적으로 일정 시간 평균이 수반된다는 것이다. 또한 RFA는 지연 그리드에서 이차 전자를 통해 얻는 측정과 상호 작용하여 RA에서 방출되고 빔에 의해 장치로 다시 차넣을 수 있다. 목격자 집단 연구는 열차와 열차 뒤쪽의 다양한 위치에 배치된 목격자 집단에서 연속된 번들을 따라 선율 변화를 측정한다. 튜닝 시프트는 링 평균 중앙 클라우드 밀도와 관련되므로, 튜닝 시프트가 알려진 경우 중앙 클라우드 밀도를 계산할 수 있다. 목격자 집단 연구의 이점은 선율 변화를 여러 집단으로 측정할 수 있다는 것이며, 따라서 클라우드의 시간 진화를 측정할 수 있다는 것이다. 가속기의 진공 챔버는 무선 주파수 전송을 위한 도파관으로 사용할 수 있다. 횡방향 전파는 챔버 내에서 전파될 수 있다. 전자구름은 플라즈마 역할을 하며 RF에서 밀도에 따른 위상변동을 일으킨다. 위상 변화는 주파수 측면 대역으로 측정될 수 있으며, 이는 다시 플라즈마 밀도로 변환될 수 있다.