Mitigando Carga Espacial em Câmaras de Ionização para Feixes de Prótons Acelerados por Laser

Câmaras de ionização a gás enfrentam desafios significativos ao diagnosticar feixes de prótons acelerados por laser devido a severos efeitos de carga espacial induzidos por altas correntes de pico e ampla dispersão de energia. Esses efeitos geralmente causam distorção no campo elétrico, saturação de sinal e respostas não lineares. Neste estudo, propomos um design otimizado de câmara de ionização que mitiga efetivamente a carga espacial através de uma abordagem rigorosa de co-simulação. Combinamos ANSYS para otimização do campo eletrostático macroscópico com Garfield++ para modelagem do transporte de carga microscópica, incorporando explicitamente os processos de ionização (Heed++) e deriva/difusão de elétrons (Magboltz). Um fluxo de trabalho sistemático de modelagem de elementos finitos—incluindo malhamento do volume de gás e remoção de componentes dielétricos—foi implementado para eliminar não uniformidades no campo e efeitos de carga dielétrica. Crucialmente, validamos o desempenho do design em relação ao modelo teórico de recombinação de Boag. Embora cálculos teóricos prevejam severa saturação (<80% de eficiência) para câmaras padrão em condições de alto fluxo (10⁷ prótons/pulsação), nossos resultados de simulação demonstram uma resposta estritamente linear com eficiência de coleta de carga consistentemente superior a 99,85%. Estudos paramétricos confirmaram ainda que a geometria otimizada e os parâmetros operacionais (alta polarização, baixa pressão) suprimem com sucesso a acumulação de carga espacial, fornecendo uma solução robusta para diagnósticos de feixes acionados a laser.