¿La Fuente Avanzada de Fotones utiliza electrones o positrones?

Question

Las fuentes de luz de sincrotrón, como la Fuente Avanzada de Fotones (APS) (así como el SPring-8 y el ESRF), suelen mencionarse como aceleradores de electrones hasta el rango de los GeV para producir haces de rayos X de altísimo brillo. Por ejemplo, el Sitio de APS dice:

Electrones se inyectan en el sincrotrón de refuerzo, un anillo de electroimanes con forma de pista, y se aceleran de 450 MeV a 7.000 millones de electronvoltios (7 GeV) en medio segundo. (En comparación, el haz de electrones que ilumina una pantalla de televisión tiene sólo 25.000 electronvoltios). Los electrones viajan ahora a >99,999999% de la velocidad de la luz. [énfasis añadido]

Sin embargo, me encontré con este documento sobre la lista de parámetros de la APS y menciona constantemente positrones no a los electrones, e incluso da una justificación:

La Fuente Avanzada de Fotones (APS) es una fuente de radiación de sincrotrón de tercera generación que almacena positrones en un anillo de almacenamiento. La elección de los positrones como partículas aceleradoras estuvo motivada por la razón habitual: eliminar la degradación del haz causada por el atrapamiento de partículas de polvo o iones cargados positivamente.

¿Qué utiliza? ¿Puede utilizar ambos? ¿Y por qué importa la carga de las cargas residuales (?) o no intencionadas ("partículas de polvo o iones atrapados") si son positivas o negativas (¿no causaría problemas una fuerza atractiva o una fuerza repulsiva entre alguna carga errante y el rayo)?

Answer 1

De la lectura de varias fuentes, parece que el sincrotrón principal en APS es capaz de llevar un haz de electrones o de positrones (por ejemplo, la introducción de este documento )

Tengo entendido que los positrones se crean haciendo colisionar un haz de electrones de un LINAC con un blanco, pero el blanco también puede retirarse para permitir que los electrones vayan directamente al sincrotrón de refuerzo y luego al sincrotrón principal.

No he encontrado ninguna bibliografía reciente que mencione los positrones, lo que me hace pensar que utilizan principalmente los electrones, no sé por qué.

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En cuanto a tu otra pregunta, creo que se refieren sobre todo al polvo que incide directamente en el haz, dispersando así el haz. La mayor parte del polvo tiene una carga ligeramente positiva, por lo que un haz de electrones atraerá el polvo hacia el centro de la línea del haz, lo que no es deseable. Un haz de positrones haría lo contrario, proporcionando una fuerza de repulsión que mantendría el polvo alejado del haz.

Answer 2

Las fuentes de luz suelen almacenar un haz de electrones. La razón es muy sencilla: ¡obtener electrones es extremadamente fácil! Basta con calentar un trozo de metal (pistolas termoiónicas) o disparar un láser sobre un fotocátodo. Si quieres un haz de positrones tienes que producirlo y capturarlo convirtiendo un haz primario. El rendimiento de este proceso no es muy grande y acabas con un haz mucho más débil.

¿Podríamos almacenar positrones en una máquina de electrones? La respuesta es sí: podemos inyectarlos en la dirección opuesta (pero necesitamos una línea de transferencia dedicada y todas las líneas de luz están ahora en la dirección equivocada) o podemos cambiar la polaridad de los imanes. Un haz de positrones irradia exactamente de la misma manera que un haz de electrones, por lo que la física es prácticamente la misma excepto por un efecto: la nube de iones/electrones.

En la cámara siempre hay algunas moléculas de gas residuales. Cuando el haz choca con ellas, obtenemos iones, que son muy pesados y lentos, y electrones libres, que son ligeros y rápidos. Si tenemos un haz cargado negativamente, los electrones son repelidos y los iones son capturados, en cambio, un haz positivo expulsará los iones y atraerá los electrones. Como los iones son más lentos persisten más y en principio tienen más posibilidades de acumularse, por lo que un haz cargado negativamente se ve peor.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que esto no es necesariamente cierto en todas las condiciones. Los electrones de baja energía también pueden ser emitidos por la superficie de la cámara de vacío, cuando ésta es golpeada por fotones o iones/electrones de baja energía, ¡y esto puede hacer que la nube de electrones sea más grave que la nube de iones! Por ejemplo Da $\Phi$ ne, en los Laboratorios INFN de Frascati, es un $e^+\;e^-$ colisionador con dos tubos de rayos separados. Allí la corriente de positrones está limitada por la nube de electrones, más que la corriente de electrones está limitada por la nube de iones. El LHC también tuvo bastantes problemas con la nube de electrones en el pasado. Sin embargo, mientras que generalmente es posible mitigar la nube de electrones añadiendo solenoides débiles o limpiando los electrodos, no se puede hacer mucho para los iones.

Esto no es en absoluto trivial y habría que realizar un estudio detallado para confirmar el fundamento que ha encontrado. Ya que toda la literatura que he encontrado sobre los positrones en el APS es bastante antigua, mi opinión es que inicialmente pensaron operar con positrones, pero luego volvieron a los electrones.