Een paper over onderzoek uitgevoerd door Meirielen Caetano de Sousa, postdoctoraal onderzoeker aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, wordt gemarkeerd als Editor's Pick in het septembernummer van Fysica van plasma's , gepubliceerd door het American Institute of Physics met medewerking van The American Physical Society. De krant, getiteld "Wave-particle interacties in een lange lopende golfbuis met verbeterde helix", is gesigneerd door Sousa, Iberê Caldas, haar begeleider bij IF-USP, en medewerkers aan de universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk, waar Sousa een onderzoeksstage liep met de steun van een beurs van FAPESP (São Paulo Research Foundation) en CAPES, de hogere onderzoeksraad van het Braziliaanse Ministerie van Onderwijs.

De focus van Sousa's onderzoek was een experimentele studie van elektron-plasma-interacties. Omdat plasma een medium is met veel achtergrondgeluid, omstandigheden analoog aan die van plasma werden gesimuleerd in een vacuüm door het gebruik van korte elektromagnetische golven die zich voortplantten in een lopende golfbuis of TWT.

"TWT's zijn apparaten waarin elektromagnetische golven interageren met elektronenstralen, Sousa legt uit. "Industriële TWT's zijn tussen de 2 cm en 30 cm lang en worden voornamelijk gebruikt om radiofrequentiesignalen in ruimtecommunicatie te versterken. De TWT van de universiteit van Aix-Marseille is 4 m lang en speciaal ontworpen voor onderzoek in plasmafysica met een zeer laag geluidsniveau. Het is momenteel de enige in zijn soort in de wereld."

De golven worden geproduceerd met frequenties variërend van 10 tot 100 megahertz (het tussengebied van de radioband van het elektromagnetische spectrum) door een golfvormgenerator en planten zich voort via een helix die is gekoppeld aan de horizontale as van de TWT. De helix is ​​onlangs geüpgraded om hem zo regelmatig mogelijk te maken. Sousa nam deel aan de upgrade, en haar studie zou niet mogelijk zijn geweest zonder. In de vorige configuratie, de TWT was minder nauwkeurig vanwege kleine variaties in de toonhoogte van de helix en dus in de gegenereerde golfvorm.

"In het eerste deel van de studie analyseerden we golfvoortplanting zonder de elektronenstraal, " Zei Sousa. "We vonden een uitstekende overeenkomst tussen de theoretische voorspellingen en de experimentele gegevens. Dit betekent zowel dat het theoretische model nauwkeurige voorspellingen produceerde en dat het apparaat perfect werkte."

Maar de echt belangrijke bevindingen werden geproduceerd in het tweede deel, die bestond uit een onderzoek naar de interactie tussen de elektromagnetische golf en de elektronenbundel. "We hebben de energie-uitwisseling tussen de golf en de elektronen waargenomen, Sousa zei. "De elektronen reizen iets sneller dan de fasesnelheid van de golf en geven dit kinetische energieverschil door aan de golf, het vergroten van de amplitude. Wanneer de golf de maximale amplitude bereikt, het begint te trillen, stijgen en dalen, en de elektronen zitten gevangen in de golfpotentiaal, met hun snelheden die variëren rond de snelheid van de golffase. Ze brengen energie over naar de golf en ontvangen vervolgens energie van de golf."

Voor lage waarden van elektrische stroom, voegde ze eraan toe, het fenomeen komt overeen met de voorspellingen van de lineaire theorie, maar wanneer de stroomwaarden hoog zijn, werken de elektronen niet alleen met de golf samen, maar ook met elkaar. Dit resulteert in niet-lineaire effecten die niet langer in lijn zijn met theoretische voorspellingen.

"Het bestuderen van deze effecten is een doel van de toekomstige experimenten die we plannen, ' zei Sousa. 'Een ander bestudeert niet-monokinetische stralen, waarin de elektronen met verschillende snelheden reizen, en de interactie tussen deze bundels en een breed golfspectrum, wat betekent dat er meerdere golven zijn die zich tegelijkertijd in het apparaat voortplanten."

De voltooide studie en de geplande experimenten liggen op het gebied van fundamentele wetenschap, het onderzoeken van de nauwkeurigheid van de frontiertheorie en fenomenen die nog niet adequaat zijn beschreven door het theoretische model. Mogelijke technologische toepassingen liggen in het verschiet, echter. "Een meer directe toepassing zou het upgraden van industriële TWT's zijn. Een ambitieuzere toepassing zou zijn bij te dragen aan upgrades van andere apparaten die de interactie tussen elektromagnetische golven en elektrisch geladen deeltjes gebruiken, zoals deeltjesversnellers, bijvoorbeeld, ' zei Sousa.

Naast de aan Sousa toegekende onderzoeksstage in het buitenland, FAPESP ondersteunde de studie via een directe doctoraatsbeurs en een postdoctorale beurs, ook toegekend aan Sousa; en een thematisch project over "Niet-lineaire dynamiek", onder leiding van Caldas.