Esta tese analisa a dinâmica combinada do envelope e da centróide de feixes intensos de partículas carregadas envoltos por paredes condutoras. Similarmente ao caso onde as paredes condutoras estão ausentes, nós mostramos que a dinâmica do envelope e da centróide são independentes. Envelopes descasados decaem ao estado de equilíbrio com simultâneo crescimento de emitância, mas a centróide se mantém oscilando sem perda signi cativa de energia. São mostradas estimativas analíticas para obtenção de algumas características de formação de halo vista nas simulações completas. / This thesis analyses the combined envelope-centroid dynamics of high intensity charged beams surrounded by conducting walls. Similarly to the case were conducting walls are absent, we show that the envelope and centroid dynamics decouples from each other. Mismatched envelopes still decay into equilibrium with simultaneous emittance growth, but the centroid keeps oscillating with no appreciable energy loss. Some estimates are performed to analytically obtain some characteristics of halo formation seen in the full simulations.

Esta tese analisa a dinâmica combinada do envelope e da centróide de feixes intensos de partículas carregadas envoltos por paredes condutoras. Similarmente ao caso onde as paredes condutoras estão ausentes, nós mostramos que a dinâmica do envelope e da centróide são independentes. Envelopes descasados decaem ao estado de equilíbrio com simultâneo crescimento de emitância, mas a centróide se mantém oscilando sem perda signi cativa de energia. São mostradas estimativas analíticas para obtenção de algumas características de formação de halo vista nas simulações completas. / This thesis analyses the combined envelope-centroid dynamics of high intensity charged beams surrounded by conducting walls. Similarly to the case were conducting walls are absent, we show that the envelope and centroid dynamics decouples from each other. Mismatched envelopes still decay into equilibrium with simultaneous emittance growth, but the centroid keeps oscillating with no appreciable energy loss. Some estimates are performed to analytically obtain some characteristics of halo formation seen in the full simulations.

Estudamos a estabilidade de um feixe relativístico continuo e intenso de partículas carregadas que se propaga no interior de um tubo condutor cilíndrico. As equações de movimento para o centróide e o envelope de um feixe, cujo eixo de propagação esta levemente desalinhado com relação ao eixo do tubo condutor, são obtidas e utilizadas na determinação das condições de equilíbrio e estabilidade para o transporte do feixe. Nosso estudo mostra que, dependendo dos parâmetros principais que definem o sistema, a propagação do feixe ao longo do eixo de simetria do tubo pode se tornar instável devido à presença da parede condutora, o que define um limite fundamental na fração de área efetiva que um feixe em equilíbrio pode ocupar dentro do tubo. / We study the stability of a continuous and intense relativistic beam of charged particles that propagates inside a cylindrical conducting pipe. The equations of motion for the centroid and the envelope of a beam, whose axis of propagation is slightly misaligned with the axis of the transport channel, are obtained and used in determining the conditions of equilibrium and stability for the transport of the beam. Our study shows that, depending on main parameters that define the system, the transport of the beam along the axis of symmetry of the pipe may become unstable due to the presence of the conducting wall. This defines a fundamental limit on the fraction of the effective area that an stable beam can occupy inside the pipe.

Esta tese analisa a transição de um feixe com perfil isotrópico para um perfil anisotrópico em um canal focalizador linear. Considerando um feixe de íons de alta intensidade no regime dominado pelas forças eletromagnetoestáticas do próprio feixe e com um grande desacasamento (RMS) do envelope do feixe, observa-se um rápido crescimento da anisotropia espacial do feixe. Uma vez que as interações eletromagnetoestáticas do próprio feixe em um acelerador linear de alta intensidade podem levar a equipartição da energia entre os graus de liberdade do feixe, este fenômeno de anisotropização sugere uma espécie de rota para a equipartição. Nesta tese, mostramos que as ressonâncias de partícula-partícula e as ressonâncias entre os modos de oscilação do feixe e as partículas levam a anisotropização do feixe, isto é, tanto a razão do envelope como a razão das emitâncias são diferentes de um. Propomos que esta anisotropia é responsável pelo equiparticionamento do feixe. Os resultados sugerem que quando o feixe permanece equiparticionado ele apresenta uma anisotropia macroscópica, que é caracterizada pelas seguintes propriedades: o desenvolvimento de uma forma elíptica do feixe, com o crescimento do semi-eixo ao longo da direção x, a presença de um acoplamento entre as emitâncias transversais, a formação do anel ao longo de uma direção preferencial, a estacionariedade da temperatura e um crescimento da entropia, sob a forma de cascata. Chamamos o estado caracterizado por estas propriedades como um estado de equartição via anisotropias. / This thesis examines the transition from isotropic to anisotropic beam profiles in a linear focusing channel. Considering a high-intensity ion beam in a space-charge dominated regime and with an initially large mismatcaed RMS beam size, we observe a fast increasing spatial anisotropy of the beam. Since space-charge interactions in a high-intensity linear accelerator can lead to energy equip rtition between the degrees of freedom, this anisotropization phenomena suggest a kinc of route to equipartition. In this thesis we show that the particle-particle resonances and mode oscillation of the beam-particle resonances lead to the anisotropization of the beam, that is, both the envelope ratio and the emittance ratio are different from one. We propose that this anisotropy is responsible for the beam's equipartitioning. The results suggest that the beam remains equipartitioned when it exhibits a macroscopic anisotropy, which is characterized by the following properties: the development of an elliptical shape with increasing size along the x-direction, the presence of a coupling between transversal e ittances, halo formation along a preferential direction, stationarity of the temperature and a growth of the entropy in the cascade form. We call the state characterized by these properties as an anisotropic equipartition state.

Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

Esta tese analisa a dinâmica combinada do envelope e da centróide de feixes intensos de partículas carregadas envoltos por paredes condutoras. Similarmente ao caso onde as paredes condutoras estão ausentes, nós mostramos que a dinâmica do envelope e da centróide são independentes. Envelopes descasados decaem ao estado de equilíbrio com simultâneo crescimento de emitância, mas a centróide se mantém oscilando sem perda signi cativa de energia. São mostradas estimativas analíticas para obtenção de algumas características de formação de halo vista nas simulações completas. / This thesis analyses the combined envelope-centroid dynamics of high intensity charged beams surrounded by conducting walls. Similarly to the case were conducting walls are absent, we show that the envelope and centroid dynamics decouples from each other. Mismatched envelopes still decay into equilibrium with simultaneous emittance growth, but the centroid keeps oscillating with no appreciable energy loss. Some estimates are performed to analytically obtain some characteristics of halo formation seen in the full simulations.

Estudamos a estabilidade de um feixe relativístico continuo e intenso de partículas carregadas que se propaga no interior de um tubo condutor cilíndrico. As equações de movimento para o centróide e o envelope de um feixe, cujo eixo de propagação esta levemente desalinhado com relação ao eixo do tubo condutor, são obtidas e utilizadas na determinação das condições de equilíbrio e estabilidade para o transporte do feixe. Nosso estudo mostra que, dependendo dos parâmetros principais que definem o sistema, a propagação do feixe ao longo do eixo de simetria do tubo pode se tornar instável devido à presença da parede condutora, o que define um limite fundamental na fração de área efetiva que um feixe em equilíbrio pode ocupar dentro do tubo. / We study the stability of a continuous and intense relativistic beam of charged particles that propagates inside a cylindrical conducting pipe. The equations of motion for the centroid and the envelope of a beam, whose axis of propagation is slightly misaligned with the axis of the transport channel, are obtained and used in determining the conditions of equilibrium and stability for the transport of the beam. Our study shows that, depending on main parameters that define the system, the transport of the beam along the axis of symmetry of the pipe may become unstable due to the presence of the conducting wall. This defines a fundamental limit on the fraction of the effective area that an stable beam can occupy inside the pipe.

Orientador: Carlos Eduardo de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-14T03:13:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_MargarethMariade_M.pdf: 1675415 bytes, checksum: de094a1ab66cb55bcc8f1bb1ea4c6922 (MD5) Previous issue date: 1984 / Resumo: Quando câmaras de ionização são usadas em feixes de elétrons de alta energia uma perturbação no fluxo de elétrons é introduzida no meio. Tem-se observado em muitos experimentos que a resposta da câmara correlaciona o fluxo de elétrons no ponto efetivo, de medida deslocado do centro geométrico da cavidade da câmara. Tal deslocamento é definido como sendo o deslocamento radial. O deslocamento radial foi determinado em um simulador de água com um feixe de elétrons com energias entre 6 e 20 MeV, utilizando-se três câmaras de ionização cilíndricas comerciais com diâmetros internos variando entre 3,5 e 9,0 mm. As câmaras foram irradiadas com seu eixo principal perpendicular à direção de incidência do feixe. Uma tensão coletora de 300 V foi aplicada às câmaras. As medidas foram efetuadas em ambas as polaridades, tomando-se a média das leituras. Verificou-se que, com o aumento da profundidade no simulador, o deslocamento radial permanece constante para o feixe de 8,9 MeV, aumenta para o de 12,6 MeV e diminui para os feixes de 16,8 e 19,7 MeV. Construiu--se um modelo teórico para calcular o deslocamento do ponto efetivo de medida, baseado na teoria de "espalhamento múltiplo de Fermi-Eyges e no formalismo desenvolvido por Jette (1983), para um feixe retangular de elétrons terapêuticos. Encontrou-se que o deslocamento radial permanece constante com o aumento da profundidade, diminui com o aumento da energia média do feixe incidente e é dependente com o raio da câmara. Os resultados experimentais e teóricos são comparados, encontrando-se boa concordância para os elétrons de 8,9 e 12,6 MeV, enquanto que para elétrons de 16,8 e 19,7 MeV modificações no modelo se fazem necessárias / Abstract: When ionization chambers are used. in high energy electrons beams, a disturbance of the electron flux in medium is introduced. As observed in many experiments the response should be correlated to the electron flux at the effective point of measurement which is generally displaced from the geometrical center of the chamber. The radial displacement was determined in a water phantom for electrons beams at energies from 6 to 20 MeV for three commercial cylindrical ionization chambers of internal diameters varying from 3.5 to 9.0 mm. The chambers were irradiated with the main axis perpendicular to the direction of the beam. A 300 V bias voltage was applied and readings were taken with both polarities. It was observed that, with increasing depth in the water phantom, the radial displacement remains constant for the 8.9 MeV beam, it increases for the 12.6 MeV electrons and decreases for those of 16.8 and 19.7 MeV. A theoretical model was built in. order to calculate the displacement of the effective point of measurement. The Fermi-Eyges multiple scattering theory and a rectangular beam formalism developed by Jette (1983) for therapeutic electron beam are used. It was found that the radial displacement stays constant with increasing depth and it decreases with increasing average energy of the incident beam. The model also predicts that the displacement is dependent on the chamber radius. The experimental and theoretical results are compared. They show good agreement for 8.9 and 12.6 MeV electron, while for 16.8 and 19.7 MeV electrons they indicate that modifications in the theoretical model are necessary / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Erik Johannes Bochove / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-16T15:25:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sampaio_RayViana_D.pdf: 2465143 bytes, checksum: cc3a7cc61fcb769d70c7bd967cf1170d (MD5) Previous issue date: 1982 / Resumo: Fazemos incidir sobre um certo material, três feixes de lasers todos com a mesma freqüência w. Os três feixes são quase colineares, sendo que dois incidem na face z = 0 e o outro na face z = L. (L é o comprimento do material) Estes três campos induzem no material uma polarização não linear de terceira ordem a qual, entre outros efeitos, produz uma quarta onda denominada retro-espalhada (caminha no sentido decrescente de z). No nosso trabalho consideramos um sistema de moléculas de dois níveis e as polarizações dos quatro campos foram consideradas iguais. A influência do movimento molecular não foi incluída pois a geometria quase colinear minimiza este efeito. Todos os campos foram tomados como ondas planas cujas amplitudes variam ao longo de z. Utilizando as aproximações de a) onda girante e b) amplitude lentamente variável, estudamos no regime estacionário o comportamento da onda retro-espalhada s (z = O) em função das amplitudes das outras três ondas, da dissintonia f = tg-1(1/d) onde d = (w - w0)t2 e w0 = (e2 - e1)/h e do coeficiente a0L sendo a0 o coeficiente de absorção (ou ganho) linear. Neste caso nós constatamos que a curva s(0) em função das ondas de "bomba" é maior no caso em que a é negativo (ganho) do que se ao é positivo. Observamos ainda que s(0) diminui de intensidade com a0L e que os valores máximos de s(0) ocorrem para valores menores das ondas de "bomba" quando a0 é negativo em comparação com o caso em que a0 é positivo. Observamos também que para f = p/4 os valores de s(0) são maiores do que para f = p/2. Outra conclusão é a que se a onda de "bomba" b(ç) que caminha no mesmo sentido da onda retro-espalhada for maior do que a onda de "bomba" f(0) que caminha em sentido oposto, então a curva s(0) será maior do que quando f(0) for maior do que b(1) pela mesma diferença. Outro fato que vale a pena mencionar é que após o valor máximo de s(0), os valores da onda retro-espalhada são maiores para a0 > 0 do que para a0 < 0. Nós estudamos também o comportamento das quatro ondas dentro do material, de onde se obtém um resultado interessante que o valor da onda objeto p(1) atinge seu valor máximo simultaneamente com s(0), mostrando assim que o recebimento de energia da onda objeto e a retro-espalhada, quando f(0) = b(1), estão em fase. Se f(0) ¹ b(1) isto não ocorre. Notamos ainda que p(1) é maior no caso em que f(0) > b(1) do que no caso inverso e que s(0) é maior quando b(1) > f(0), o que evidencia um acoplamento preferencial entre as ondas que caminham no mesmo sentido / Abstract: We make three lasers beams all with the same frequency w to strike onto a material. The three beams are almost collinear; two of them strike upon the face z = 0 and the other upon z = L (L is the length of the material). These fields induce in the material a third order non linear polarization, which among others effects, generates a fourth wave called conjugate or retro wave (it propagates in the minus z direction). The whole process is called "Degenerate Four Wave Mixing". The production of the fourth wave is somewhat similar to the conventional holography. The material consists of a system of two level molecules and all the fields have their polarization¿s along the same direction. Moreover we justify why we do not include the Doppler effect, consider all fields as plane waves, use the rotating wave approximation, the slowling varying envelope approximation and not considering transverse (x and y) variations, we study, in the stationary case, the behaviour of the conjugate wave in the plane z = 0 as a function if the amplitudes of the other three waves, of the detuning coefficient f = tg-1(1/d), where d = (w - w0)t2 with w0 = (e2 - e1)/h and of the coefficient a0L, where a0 is the linear absorption (or gain) coefficient. It is also studied the behaviour of the four amplitudes inside the material (along z) as function of the parameters mentioned above / Doutorado / Física / Doutor em Ciências