Pesquisadora da USP faz experimento sobre interação entre elétrons e plasma

Pesquisa poderá contribuir para a melhoria de equipamentos utilizados em telecomunicação espacial

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Um estudo realizado por Meirielen Caetano de Sousa, pós-doutoranda do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), foi destaque na edição de setembro da revista Physics of Plasmas, publicada pelo American Institute of Physics em colaboração com a American Physical Society. O artigo, Wave-particle interactions in a long traveling wave tube with upgraded helix, publicado com a chancela “Editor's Pick” (Escolha do Editor), foi assinado por Sousa, Iberê Caldas, seu supervisor no IFUSP, e colaboradores da Aix-Marseille Université, França, onde Sousa estagiou com auxílio de bolsa da FAPESP e da Capes (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior).

O estudo em pauta é uma pesquisa experimental sobre a interação elétrons-plasma. Como o plasma é um meio que apresenta muito ruído de fundo, condições análogas às do plasma foram simuladas no vácuo por ondas eletromagnéticas curtas, que se propagam por uma válvula de ondas progressivas (TWT, do inglês traveling wave tube).

“TWTs são dispositivos nos quais ondas eletromagnéticas interagem com feixes de elétrons. Os TWTs industriais possuem de dois a 30 centímetros de comprimento e são utilizados principalmente como amplificadores de sinal para telecomunicação espacial. Já o TWT da Universidade de Aix-Marseille possui quatro metros de comprimento e foi especialmente concebido para a realização de pesquisas na área de física de plasmas, com um nível muito baixo de ruído. Ele é o único de seu gênero em operação no mundo atualmente”, diz Sousa.

As ondas – com frequências entre 10 e 100 megahertz, portanto na região intermediária da faixa rádio do espectro eletromagnético – são produzidas por um gerador de ondas e se propagam por uma hélice acoplada ao eixo horizontal do TWT. Para que o passo da hélice ficasse o mais regular possível, o equipamento passou recentemente por um upgrade. Sousa participou do upgrade e seu estudo só se tornou possível graças a essa melhoria. Pois, do contrário, os resultados experimentais teriam uma imprecisão maior causada por pequenas variações no passo da hélice e, consequentemente, no padrão da onda gerada.

“Na primeira fase de nossa pesquisa, analisamos apenas a propagação das ondas, sem o feixe de elétrons. E verificamos uma notável concordância entre as previsões teóricas e os dados experimentais. Isso significa que tanto o modelo teórico estava fazendo previsões corretas como o aparelho estava funcionando muito bem”, afirma a pesquisadora.

Mas os achados realmente importantes ocorreram na segunda fase, em que foi investigada a interação da onda eletromagnética com o feixe de elétrons. “Observamos a troca de energia entre onda e elétrons. Os elétrons são emitidos com velocidade ligeiramente maior do que a velocidade de fase da onda e transmitem esse diferencial de energia cinética para a onda, que, em decorrência disso, tem sua amplitude amplificada. Quando a onda chega à amplitude máxima, ela começa a oscilar, crescendo e diminuindo. E os elétrons ficam aprisionados no potencial da onda, com suas velocidades variando em torno da velocidade de fase da onda. Eles transferem e depois recebem energia da onda”, descreve Sousa.

Segundo a pesquisadora, para valores baixos da corrente elétrica, o fenômeno corresponde às previsões da teoria linear. Porém, quando a corrente se torna muito alta, além de interagirem com a onda, os elétrons também passam a interagir entre si, e surgem efeitos não lineares, que já não correspondem às previsões teóricas. “O estudo desses efeitos é um dos objetivos dos experimentos previstos para o futuro”, diz a pesquisadora.

“Outro objetivo é estudar feixes não monocinéticos – isto é, cujos elétrons tenham velocidades diferentes. E também a interação desses feixes com um espectro largo de ondas – vale dizer, com várias ondas se propagando ao mesmo tempo no interior do equipamento”, acrescenta.

O estudo já realizado e os previstos estão no campo da ciência fundamental, investigando a acurácia da teoria e fenômenos de fronteira que o modelo teórico ainda não havia descrito de forma adequada. Mas eventuais aplicações tecnológicas estão no horizonte. “Uma delas, mais imediata, é a melhoria dos TWTs industriais. Outra, mais ambiciosa, é contribuir para o aprimoramento das operações de outros equipamentos que se utilizam da interação entre ondas eletromagnéticas e partículas eletricamente carregadas, como, por exemplo, aceleradores de partículas”, comenta Sousa.

Além da Bolsa de Estágio de Pesquisa no Exterior concedida a Meirielen Sousa, o estudo contou também com outros apoios da FAPESP: as bolsas de Doutorado Direto e de Pós-Doutorado da pesquisadora; e o auxílio ao Projeto Temático “Dinâmica não linear”, coordenado por Caldas.

O artigo Wave-particle interactions in a long traveling wave tube with upgraded helix pode ser acessado em https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0018959.