Caracterização óptica e elétrica do feixe de elétrons do anel de armazenamento LNLS UVX

Resumo

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) é um instituto de pesquisa atualmente em seus estágios finais de implementação em Campinas, SP. O LNLS fornecerá à comunidade científica do Estado de São Paulo e do Brasil, em agosto de 1996, uma fonte de radiação de espectro amplo de alta intensidade baseada num anel de armazenamento de elétrons UVX de 1,15 GeV. O funcionamento iminente dos aceleradores do LNLS abre um amplo leque de possibilidades de pesquisa nos campos da física experimental dos feixes e da tecnologia de aceleradores. Nos últimos anos, o Grupo de Física de Aceleradores do LNLS esteve envolvido principalmente no planejamento conceitual e técnico dos aceleradores lineares e circulares, tendo analisado vários aspectos da dinâmica de feixes de elétrons que influencia o desempenho do anel de armazenamento (medida em termos de corrente de feixe armazenado, emitância, tempo de vida e estabilidade de feixe). Partindo desses estudos, dois tópicos emergiram como particularmente relevantes para a máquina brasileira: questões de estabilidade de feixe relacionadas à injeção de baixa energia (particularmente aquelas associadas à neutralização de feixe em virtude do aprisionamento de íons) e a possibilidade de produzir pacotes de elétrons muito curtos (7 ps FWHM) num modo de operação quase isócrono. Durante o planejamento da máquina, muito esforço foi dedicado a minimizar os efeitos potencialmente danosos da instabilidade de feixes de baixa energia, por exemplo, introduzindo eletrodos de limpeza para reduzir a densidade de íons neutralizadores e formar uma câmara de vácuo com as variações mais suaves possíveis de uma seção para outra. O início da operação da máquina poderia nos permitir confirmar experimentalmente a eficácia dessas medições. A possibilidade de produzir pulsos de luz curtos do anel de armazenamento UVX (uma característica de máquina útil para usuários de radiação síncrotron que trabalham com técnicas resolvidas no tempo) foi estudada e as propriedades de estabilidade desse modo de operação quase isócrono foram analisadas. A implementação experimental de um tal modo permitirá à máquina brasileira acessos ao subconjunto restrito das fontes de radiação de terceira geração no mundo que são capazes da geração de pulsos curtos. Na investigação experimental de ambos os tópicos mencionados acima, a radiação síncrotron emitida pelo feixe e os sinais eletromagnéticos de alta frequência induzidos pelo feixe em antenas (striplines) construídas na câmara de vácuo do anel são ferramentas fundamentais de caracterização. No plano da fase longitudinal, a observação da estrutura temporal do feixe permite a medição do comprimento do pacote enquanto a observação da distribuição transversal da radiação dá informações sobre a distribuição transversal do feixe de elétrons, da qual se pode inferir a emitância do feixe, uma quantidade diretamente afetada pelas condições de estabilidade do feixe. Ainda no plano transversal, a observação simultânea de variações no perfil do feixe (com a radiação síncrotron) e da amplitude de oscilação coerente do feixe (com as antenas de captação) como função do tempo após a aplicação de uma excitação de feixe ressonante permite a medição dos processos de tempo de amortecimento característicos (amortecimento de radiação ou de Landau). Finalmente, o espectro de oscilações de feixe detectado por análise de Fourier dos sinais de stripline dá informações sobre sintonias betatron ou frequências de oscilação transversal de elétrons, que são afetadas por diversos efeitos coletivos, em particular, pelo aprisionamento de íons, e também apontam para a existência de modos de oscilação instáveis do feixe. Neste projeto de pesquisa, descrevemos uma bancada de caracterização óptica e um sistema de excitação e observação de oscilação de feixe para o feixe de elétrons armazenado UVX designado para estudar efeitos coletivos (particularmente em baixa energia) e realizar medições de comprimento de pacotes. A bancada óptica inclui espelhos e lentes para convergir a luz síncrotron para elementos sensíveis e dois detectores de radiação: um foto-diodo rápido para observações longitudinais (estrutura de tempo) e uma câmera CCD rápida (400 frames por segundo) acoplada a uma placa de PC de digitalização rápida que oferece captura de perfil de feixe numa velocidade suficientemente rápida para permitir a observação de fenômenos na escala de tempo do amortecimento de radiação síncrotron. O sistema de observação de oscilação de feixe inclui dois conjuntos de quatro striplines (um para a excitação do feixe e o outro para a coleta de sinais do feixe) e eletrônica RF para efetuar adições e subtrações com esses sinais para encaminhar sinais proporcionais às posições horizontal e vertical do feixe a um analisador de espectro sintonizado por varredura. Todo o hardware necessário para a construção do sistema de observação da oscilação de feixe e cerca da metade do necessário para a bancada de caracterização óptica já foram comprados pelo LNLS. (AU)