Estruturas de ondas lentas: análise e medidas em laboratório

Abstract

Estruturas de onda lenta possuem aplicações em vários setores tais como aceleradores lineares, usados em aplicações médicas e em física nuclear; em válvulas eletrônicas e em filtros de micro-ondas. Uma compreensão adequada deste tópico requer conceitos de engenharia de micro-ondas, física e instrumentação, que são dificilmente cobertos em sua plenitude durante cursos de graduação. O artigo explora o tópico utilizando uma analogia com circuitos elétricos e também com o uso de um simulador tridimensional de campos eletromagnéticos. Um experimento em laboratórioé sugerido de maneira a proporcionar uma atividade prática. A montagem de laboratório requer instrumentação comum em laboratórios de eletrônica e possui construção simples. Palavras-chave: laboratório de eletromagnetismo, eletromagnetismo.Slow wave structures have uses in several areas, as linear accelerators used for atomic studies and in medical applications, vacuum tubes and as microwave filters. An adequate understanding of this topic requires knowledge on microwave engineering, physics and instrumentation, which is hardly possible to be covered during normal physics or engineering undergraduate courses. This article aims to explore this topic using a circuit analogy and also a 3D electromagnetic field solver. A laboratory experiment is proposed to have a hands-on experience as well. The laboratory test requires common electronic instrumentation and it is easily constructed. Keywords: electromagnetism laboratory, electromagnetism. IntroduçãoEstruturas de ondas lentas podem ser entendidas como linhas de transmissão cuja velocidade de propagaçãó e reduzida em relaçãoàs linhas normais. Esse efeito em geralé obtido através do carregamento (inclusão de elementos externos) periódico ao longo da direção de propagação da onda. Estas estruturas tem aplicação por exemplo em aceleradores lineares (LINACs -linear accelerators), onde o feixe de partículas deve ter sua velocidade de propagação semelhanteà da velocidade de fase da onda eletromagnética, de maneira a otimizar a interação onda-partícula. Além disso, tubos de vácuo (válvulas eletrônicas), ainda usados quando altas potências (ordem de dezenas kW) são necessárias em altas frequências (ordem de GHz), possuem várias formas de ondas lentas para que o processo de amplificação de sinal seja obtido [1]. Dessa forma,áreas tais como física médica [2,3] (notadamente no estudo de equipamentos de radioterapia baseados em LINACs), instrumentação científica e engenharia de micro-ondas [4] necessitam de um correto entendimento do conceito e aplicação de ondas lentas. Temas como velocidade de fase, diagramas de dispersão em estruturas periódicas e estruturas de ondas lentas são frequentemente negligenciados em cursos de graduação, em face da dificuldade didática de aplicar os conceitos em situações cotidianas e em usar recursos computacionais e de laboratório de maneira eficiente.O princípio básico que norteia aceleradores de partículasé o da interação da matéria com ondas eletromagnéticas. Uma analogiaútil em sala de aula...