電子雲効果

電子雲効果は粒子加速器内で発生し、粒子ビームの品質を低下させる現象です。

電子雲は、加速された荷電粒子がすでに管内に浮遊している漂遊電子を乱し、電子を壁に跳ね返したり、投げ飛ばしたりすることで生成されます。これらの漂遊電子は、シンクロトロン放射からの光電子またはイオン化されたガス分子からの電子です。電子が壁に衝突すると、二次放出により壁からさらに多くの電子が放出されます。これらの電子は次に別の壁に衝突し、加速器室にさらに多くの電子が放出されます。

この効果は、電子が引き寄せられ、さまざまな入射角で壁にぶつかる陽電子加速において特に問題となります。加速器の壁から解放された負に帯電した電子は、正に帯電したビームに引き寄せられ、その周りに「雲」を形成します。

この効果は、運動エネルギーが約 300 eVの電子で最も顕著になります。このエネルギー未満の電子では効果が急激に低下し、より高いエネルギーでは効果が徐々に低下します。これは、電子が加速管の壁の奥深くに「埋もれ」、二次電子が管内に逃げにくくなるためです。

この効果は、入射角が大きいほど（法線から遠い角度ほど） 顕著になります。

マルチパクティングが発生すると、電子雲の成長がバンチ電流と総ビーム電流の重大な制限となる可能性があります。マルチパクティングは、電子雲のダイナミクスが加速ビームのバンチ間隔と共鳴したときに発生する可能性があります。これにより、バンチ列に沿った不安定性や、ヘッドテール不安定性と呼ばれる単一バンチ内の不安定性さえも引き起こす可能性があります。

これに対処するために、加速管に突起をつける、管に予備室を追加する、表面からの電子の放出を減らすために管をコーティングする、または電界を作って漂遊電子を引き込むなどのいくつかの対策が提案されている。SLAC国立加速器研究所のPEP-II加速器では、陽電子リングを含む真空管の全長にワイヤーが巻かれている。このワイヤーに電流を流すとソレノイド磁場が生成され、ビーム管の壁から解放された電子を閉じ込める傾向がある。^[要出典]

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、陽子バンチの間隔が狭い（25ナノ秒）ため、マルチパクト化が非常に起こりやすい。Run 1（2010～2013年）の科学実験では主に50ナノ秒間隔のビームが使用され、25ナノ秒間隔のビームは2011年と2012年の短いテストでのみ使用された。 ^[1] 二次電子放出を最小限に抑えるように設計されたリブ付きビームスクリーンの使用に加えて、その場での電子衝撃によってもこの影響を軽減できる。これは、LHCで、熱放散とビーム安定性の制約内で可能な限り多くの電子を生成するように特別に設計された、特別な非科学的な^{[説明が必要]}「スクラビング」ビームを循環させることによって行われる。この技術はRun 1でテストされ、Run 2（2015～2018年）中に25ナノ秒間隔での動作を可能にするために使用される。

真空チャンバー内の電子雲を測定する方法は数多くあります。それぞれの方法により、電子雲のさまざまな側面についての洞察が得られます。

減速フィールド分析器は、チャンバー壁にある局所グリッドで、雲の一部を逃がします。これらの電子は電界でフィルタリングされ、結果として生じるエネルギー スペクトルを測定できます。減速フィールド分析器は、ドリフト領域、双極子、四極子、ウィグラー磁石に設置できます。制限は、減速フィールド分析器は局所的な雲のみを測定することと、電流を測定するため、本質的に時間平均化が伴うことです。RFA は、減速グリッドからの二次電子が RA から放出され、ビームによってデバイスに押し戻されることで、取得している測定と相互作用することもあります。

目撃バンチ研究では、列内の連続するバンチに沿ったチューン シフトと、列の後ろのさまざまな場所に配置された目撃バンチ内のチューン シフトを測定します。チューン シフトはリング平均された中央の雲密度に関連しているため、チューン シフトがわかれば、中央の雲密度を計算できます。目撃バンチ研究の利点は、チューン シフトをバンチごとに測定できるため、雲の時間的変化を測定できることです。

加速器内の真空チャンバーは、無線周波数伝送用の導波管として使用できます。横波はチャンバー内で伝播できます。電子雲はプラズマとして機能し、RF で密度依存の位相シフトを引き起こします。位相シフトは周波数サイドバンドとして測定でき、その後プラズマ密度に変換できます。

• J. Crisp、N. Eddy、I. Kourbanis、K. Seiya、B. Zwaska (2009)。「フェルミ国立加速器研究所主入射器におけるマイクロ波による電子雲密度の測定」(PDF)。Proc . DIPAC09、バーゼル、スイス。
• J. Wei; M. Bai; M. Blaskiewicz; P. Cameron; R. Connolly; A. Della Penna; W. Fischer; H.-C. Hseuh; H. Huang (2006). 「相対論的重イオン衝突型加速器における電子雲と単一バンチ不安定性」(PDF) . Proc. HB2006、つくば、日本.

• 「ISIS 陽子シンクロトロンおよび関連機器における電子雲の蓄積」、G Bellodi 著
• シンメトリー誌の「雲との戦い」記事
• コーネル CESRTA ウィキ
• 「雲の風景 - 正粒子加速器内の電子雲の診断」、ポール・プレウス著