Una científica brasileña conduce un experimento sobre la interacción entre los electrones y el plasma

Este estudio podrá contribuir para perfeccionar los artefactos que se utilizan en la telecomunicación espacial

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un estudio que lleva adelante Meirielen Caetano de Sousa, posdoctoranda en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), en Brasil,  fue el destacado de la edición de septiembre de la revista Physics of Plasmas, publicada por el American Institute of Physics en colaboración con la American Physical Society. El artículo intitulado Wave-particle interactions in a long traveling wave tube with upgraded helix, publicado con el sello “Editor's Pick” (Selección del Editor), lleva las firmas de Caetano de Sousa, Iberê Caldas, su supervisor en el IFUSP, y colaboradores de la Aix-Marseille Université, en Francia, donde la investigadora realizó una pasantía con la ayuda de becas de la FAPESP y de la Capes (la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior), un organismo ligado al Ministerio de Educación de Brasil.

El estudio mencionado es una investigación experimental sobre la interacción entre los electrones y el plasma. Como el plasma es un medio que emite mucho ruido de fondo, se simularon condiciones análogas a las del plasma en el vacío mediante ondas electromagnéticas cortas, que se propagan a través de un tubo de onda progresiva (TWT, del inglés traveling wave tube).

“Los TWT son dispositivos en los cuales las ondas electromagnéticas interactúan con haces de electrones. Los TWT industriales miden entre dos y 30 centímetros de largo y se utilizan fundamentalmente como amplificadores de señales en telecomunicación espacial. En tanto, el TWT de la Universidad de Aix-Marseille mide cuatro metros de longitud y se lo concibió especialmente para la realización de investigaciones en el área de la física de plasmas, con un nivel muy bajo de ruido. Es el único de su género en operación en el mundo actualmente”, dice Caetano de Sousa.

Las ondas –con frecuencias situadas entre los 10 y los 100 megahercios, por ende, ubicadas en la zona intermedia del rango de radio del espectro electromagnético– se producen mediante un generador de ondas y se propagan a través de una hélice acoplada al eje horizontal del TWT. Para que el paso de la hélice fuera lo más regular posible, el aparato pasó recientemente por una actualización. Caetano de Sousa fue de la partida en ese trabajo y su estudio solamente fue posible merced a esa mejora. Sucede que, de lo contrario, los resultados experimentales tendrían una imprecisión mayor causada por las pequeñas variaciones en el paso de la hélice y, por consiguiente, en el patrón de la onda generada.

“Durante la primera etapa de nuestra investigación, analizamos únicamente la propagación de las ondas, sin el haz de electrones. Y verificamos una notable coincidencia entre las previsiones teóricas y los datos experimentales. Esto significa que el modelo teórico estaba efectuando previsiones correctas y que el aparato estaba funcionando muy bien”, afirma la investigadora.

Pero los hallazgos realmente importantes ocurrieron durante la segunda fase, cuando se investigó la interacción de la onda electromagnética con el haz de electrones. “Observamos el intercambio de energía entre las ondas y los electrones. Los electrones se emiten a una velocidad ligeramente mayor que la velocidad de fase de la onda, le transmiten esa diferencia de energía cinética a la onda y, como consecuencia de ello, la amplitud de la misma se amplifica. Cuando la onda llega a su amplitud máxima, empieza oscilar: crece y disminuye. Y los electrones quedan aprisionados en el potencial de la onda, con sus velocidades variando alrededor de la velocidad de fase de la onda. Trasfieren y luego reciben energía proveniente de la onda”, describe Caetano de Sousa.

Según la investigadora, para valores bajos de la corriente eléctrica, este fenómeno corresponde a las previsiones de la teoría lineal. Pero cuando la corriente se vuelve muy alta, aparte de interactuar con la onda, los electrones también pasan a interactuar entre sí, y surgen efectos no lineales, que ya no corresponden a las previsiones teóricas. “El estudio de estos efectos constituye uno de los objetivos de los experimentos previstos para el futuro”, dice la investigadora.

“Otro objetivo consiste en estudiar haces no monocinéticos, aquellos cuyos electrones tengan distintas velocidades. Y también la interacción de esos haces con un espectro ancho de ondas, es decir, con diversas ondas propagándose al mismo tiempo en el interior del aparato”, añade.

El estudio ya realizado y aquellos previstos se ubican en el campo de la ciencia fundamental, para investigar la precisión de la teoría y los fenómenos de frontera que el modelo teórico aún no había descrito de manera adecuada. Pero a su vez se encuentran en el horizonte eventuales aplicaciones tecnológicas. “Una de ellas, la más inmediata, es la mejora de los TWT industriales. Otra, más ambiciosa, consiste en aportar al perfeccionamiento de las operaciones de otros aparatos que se utilizan de la interacción entre ondas electromagnéticas y partículas con carga eléctrica, tales como los aceleradores de partículas, por ejemplo”, comenta Caetano de Sousa.

Aparte de la Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior concedida a Meirielen Sousa, este estudio contó también con otros apoyos de la FAPESP: las becas de Doctorado Directo y de Posdoctorado de la investigadora, y la ayuda destinada al Proyecto Temático intitulado “Dinámica no lineal”, bajo la coordinación de Caldas.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Wave-particle interactions in a long traveling wave tube with upgraded helix en el siguiente enlace: aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0018959.