Advanced electromagnetic studies for particle acceleration applications: magnets, photomultiplier tubes and carbon nanostructures
- Autores: Pablo Martín Luna
- Directores de la Tesis: Daniel Esperante Pereira (dir. tes.), Javier Resta López (dir. tes.), Benito Gimeno Martínez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2025
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 263
- Tribunal Calificador de la Tesis: Mario Alberto Fernandez Pantoja (presid.), Fernando Hueso Gonzalez (secret.), Ana García Flores (voc.)
- Programa de doctorado: Doctor en Programa Oficial de Posgrado en Física
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Esta tesis doctoral investiga solenoides, imanes, tubos fotomultiplicadores y técnicas de aceleración basadas en nanoestructuras de carbono. Se ha profundizado en el entendimiento de estos dispositivos y estructuras, todos ellos estrechamente relacionados con los aceleradores de partículas y disciplinas afines.
En primer lugar, se derivan expresiones analíticas del campo magnético para solenoides finitos e imanes cilíndricos magnetizados axialmente, empleando integrales elípticas completas. Este enfoque permite cálculos numéricos eficientes y evita el uso de métodos de elementos finitos. Se estudian en detalle casos relevantes, comparando fórmulas exactas con aproximaciones previas. Además, se aplica una analogía electromagnética con cargas magnéticas ficticias para facilitar la comprensión de los campos y discontinuidades en imanes cilíndricos, tanto macizos como huecos.
En segundo lugar, se ha desarrollado un código Monte Carlo para simular el transporte y amplificación de electrones en tubos fotomultiplicadores, utilizando modelos como el electrón efectivo y el modelo modificado de Vaughan para la emisión secundaria en los dínodos. Este algoritmo permite analizar la ganancia, el tiempo de tránsito y el tiempo de subida de la señal en función del voltaje de alimentación y de un campo magnetostático externo, con resultados que concuerdan bien con datos experimentales. Las simulaciones se han realizado con estrategias 3D, 2D y 2.5D, evaluando su validez. El algoritmo se ha adaptado para estudiar el impacto de la red divisora de voltaje resistiva pasiva, obteniendo nuevamente una buena correspondencia con mediciones para distintas condiciones de iluminación y voltajes. Además, se ha propuesto un modelo analítico simple que, utilizando funciones logísticas, representa eficazmente la eficiencia de recolección en las etapas finales de los dínodos, lo cual ha sido validado también por simulaciones y datos experimentales.
Finalmente, se ha profundizado en el estudio de técnicas de aceleración basadas en nanoestructuras de carbono, analizando cómo partículas cargadas han excitado modos electromagnéticos útiles para alcanzar altos gradientes de aceleración. Se ha empleado un modelo hidrodinámico para estudiar los campos generados por partículas que viajan paralelas a nanotubos de carbono y láminas de grafeno.
Para los nanotubos multicapa, se han derivado expresiones de los campos eléctricos longitudinales y transversales, vinculadas a las frecuencias de resonancia. En nanotubos monocapa, se ha identificado el radio óptimo que maximiza el gradiente, en función de la velocidad de la partícula y la densidad de electrones libres. Además, se ha comprobado que los nanotubos multicapa con capas muy próximas se comportan como nanotubos monocapa de mayor densidad, lo que los hace prometedores para la aceleración de partículas.
Los resultados obtenidos mediante el modelo hidrodinámico se han comparado con simulaciones particle-in-cell mostrando un buen acuerdo, especialmente al considerar una densidad efectiva. En cuanto a las láminas de grafeno, se ha visto que los campos excitados se dispersan en el plano, lo que limita su utilidad para la aceleración y focalización de partículas. No obstante, el uso de dos láminas podría resultar viable para la aceleración de partículas. Por ello, se ha analizado este caso en profundidad, comparándolo con los nanotubos de carbono. Además, se ha discutido cómo incluir dieléctricos en el modelo hidrodinámico, estudiando el efecto de un sustrato sobre los campos excitados.
- English
This doctoral thesis investigates solenoids, magnets, photomultiplier tubes, and acceleration techniques based on carbon nanostructures. It deepens the understanding of these devices and structures, all of which are closely related to particle accelerators and associated disciplines. First, analytical expressions for the magnetic field of finite solenoids and axially magnetized cylindrical magnets are derived using complete elliptic integrals. This approach enables efficient numerical calculations and avoids the use of finite element methods. Relevant cases are studied in detail, comparing exact formulas with previous approximations. In addition, an electromagnetic analogy with fictitious magnetic charges is applied to facilitate the understanding of fields and discontinuities in cylindrical magnets, both solid and hollow. Second, a Monte Carlo code has been developed to simulate the transport and amplification of electrons in photomultiplier tubes, using models such as the effective electron model and the modified Vaughan model for secondary emission in the dynodes. This algorithm allows the analysis of gain and the temporal characteristics of the signal as a function of the supply voltage and an external magnetostatic field, with results in good agreement with experimental data. Simulations have been carried out using 3D, 2D, and 2.5D strategies, evaluating their validity. The algorithm has also been adapted to study the impact of the passive resistive voltage divider network, again showing good correspondence with measurements under different illumination conditions and voltages. Furthermore, a simple analytical model has been proposed which, by incorporating logistic functions, effectively represents the collection efficiency in the final dynode stages, a result validated by both simulations and experimental data. Finally, the study has focused on acceleration techniques based on carbon nanostructures, analyzing how charged particles can excite electromagnetic modes useful for achieving high acceleration gradients. A hydrodynamic model has been employed to study the fields generated by particles traveling parallel to carbon nanotubes and graphene layers. For multi-walled nanotubes, expressions for longitudinal and transverse electric fields have been derived, linked to resonant frequencies. In single-walled nanotubes, the optimal radius that maximizes the gradient has been identified as a function of particle velocity and free electron density. It has also been shown that multi-walled nanotubes with closely spaced layers behave like single-walled nanotubes with higher density, making them promising candidates for particle acceleration. The results obtained with the hydrodynamic model have been compared with particle-in-cell simulations, showing good agreement, particularly when considering an effective density. Moreover, it has been observed that the fields excited in graphene layers spread within the plane, limiting their usefulness for particle acceleration and focusing. Nevertheless, the use of two layers could be viable for particle acceleration. This case has been analyzed in depth, comparing it with single-walled carbon nanotubes. Additionally, the incorporation of dielectrics into the hydrodynamic model has been discussed, studying the effect of a substrate on the excited fields.
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