Latent fields in a beam-plasma system

In a beam-plasma systems embedded in a magnetic field “paramagnetic” states of the beam can be realized with increased to the axis of the system or varied along the system full magnetic field under the condition of conservation of magnetic flux. Magnetic field concentrates near the axis, and this modification is latent as the field out of plasma channel changes insignificantly in comparison with the given external field. Radial focusing of the beam is ensured by electrostatic field of an ion pivot. If the external magnetic field changes in longitudinal direction then the value of magnetic field from the region of beam injection can be transferred along pre-axis region of the system. Different beam-plasma systems were considered by means of computer simulation. Computer simulation was performed using electromagnetic PIC code KARAT.При инжекции сильноточного пучка в плазму сравнимой плотности, находящуюся во внешнем магнитном поле, возможна реализация метастабильных состояний как с реверсом магнитного поля, так и с увеличением магнитного поля к оси системы. Радиальная фокусировка пучка обеспечивается при этом как собственным азимутальным магнитным полем, так и электростатическим полем ионного остова, образующегося после выталкивания плазменных электронов пространственным зарядом пучка. Из-за такого комбинированного удержания возникают особенности, которые невозможно наблюдать при транспортировке заряженного пучка в вакууме. В однородной в аксиальном направлении системе, находящейся в однородном продольном магнитном поле, возможно увеличение магнитного поля в приосевой области в несколько раз по сравнению с внешней, а если внешнее магнитное поле меняется в продольном направлении, возникает эффект «прокола» внешнего поля собственным магнитным полем пучка. Обращает на себя внимание латентность суммарного магнитного поля. На границе плазменного столба поле меняется слабо по сравнению с исходным, в то время как все существенные изменения происходят в приосевой области. С помощью численного моделирования по электромагнитному коду КАРАТ рассмотрены различные пучково-плазменные системы.При інжекції сильнострумового пучка в плазму порівнянної щільності, що знаходиться в зовнішньому магнітному полі, можлива реалізація метастабільних станів як з реверсом магнітного поля, так і зі збільшенням магнітного поля до осі системи. Радіальне фокусування пучка забезпечується при цьому як власним азимутним магнітним полем, так і електростатичним полем іонного остову, що утворюється після виштовхування плазмових електронів просторовим зарядом пучка. Із-за такого комбінованого утримання виникають особливості, які неможливо спостерігати при транспортуванні зарядженого пучка у вакуумі. У однорідній в аксіальному напрямку системі, що знаходиться в однорідному подовжньому магнітному полі можливе збільшення магнітного поля в приосевій області у декілька разів в порівнянні із зовнішній, а якщо зовнішнє магнітне поле міняється в подовжньому напрямі, виникає ефект "проколу" зовнішнього поля власним магнітним полем пучка. Звертає на себе увагу латентність сумарного магнітного поля. На межі плазмового стовпа поле міняється слабо в порівнянні з початковим, тоді як усі істотні зміни відбуваються в приосевій області. За допомогою чисельного моделювання за електромагнітним кодом КАРАТ розглянуті різні пучково-плазмові системи

Dynamics and capture of space-charge dominated electron beams in crossed-fields system

Problems of nonlinear dynamics of space-charge dominated electron beams in crossed ExB-fields are discussed from the point of view of the investigation of schemes of intense electron beam formation for compact cyclic accelerators and for high-efficiency relativistic magnetrons. The review of the results of computer simulations of an electron clouds formation due to nonlinear azimuthal instability inside magnetron is given. A scheme of electron storage and capture of electron beams in crossed fields is proposed

Electron beam generation in a low-impedance system

Results of computer simulation of low-energy high-current electron beam generation in a low-impedance system consisting of plasma-filled diode with a long plasma anode, an auxiliary thermionic cathode, and an explosive emission cathode are given. The auxiliary cathode is used to form the long plasma anode by means of residual gas ionization by a low-current low-voltage electron beam (currents of amperes, voltage of hundred volts) in an external longitudinal magnetic field. The high-current low-energy electron beam (currents of tens kA, voltage of tens kV) is generated from the explosive emission cathode embedded in prepared plasma. The long plasma anode presents simultaneously a transport channel providing charge neutralization of high-current beam. Computer simulation is performed using PIC code KARAT for different geometry and position of auxiliary cathode. Computer results are compared with experimental data. Work supported by RFBR under grant 05-02-16442.Приведены результаты численных экспериментов по генерации низкоэнергетичного сильноточного электронного пучка в низкоимпедансной системе, включающей в себя плазмонаполненный диод с протяженным плазменным анодом, вспомогательный термокатод и взрывоэмиссионный катод. Слаботочный, низковольтный пучок от вспомогательного катода, находящийся во внешнем продольном магнитном поле, используется для создания протяженного плазменного анода, одновременно представляющего собой и канал для транспортировки пучка, посредством ионизации остаточного газа. Сильноточный электронный пучок (ток до десятка килоампер при напряжении в десятки киловольт) формируется с взрывоэмиссионного катода, погруженного в предварительно сформированную плазму. Численное моделирование проведено с помощью PIC-кода КАРАТ для различных геометрий и положений вспомогательного катода. Работа выполнена при поддержке РФФИ по гранту 05-02-16442.Наведено результати чисельних експериментів по генерації низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка в низькоімпедансьній системі, що включає в себе плазмозаповнений діод із протяжним плазмовим анодом, допоміжний термокатод і вибухоемісійний катод. Слабкострумовий, низьковольтний пучок від допоміжного катода, що перебуває в зовнішнім поздовжнім магнітному полі, використається для створення протяжного плазмового анода, що одночасно представляє собою і канал для транспортування пучка, за допомогою іонізації залишкового газу. Потужнострумовий електронний пучок (струм до десятка кілоампер при напрузі в десятки кіловольт) формується із вибухоемісійного катода, зануреного в попередньо сформовану плазму. Чисельне моделювання проведене за допомогою PІС-коду КАРАТ для різних геометрій і положень допоміжного катода. Робота виконана за підтримкою РФФІ по гранту 05-02-16442

Brillouin and kynetic flows in a magnetron diode

Two classes of approaches have received the most attention to describe the important space charge dynamics in a magnetron are Brillouin flow and double-stream kinetic model. Precise analysis of electron dynamics in fully selfconsistent kinetic equilibrium in a smooth-bore magnetron shows that for a given external magnetic field and a voltage there exists a multiplicity of natural equilibrium states, differing as to structure of electron trajectories and emission current density. The value of emission current density differs from one to other type of the equilibrium and can aspire to zero under the same condition of space charge limited flow due to a large number of revolutions of electrons around the cathode. The greater the number of revolutions the closer are the main parameters of the kinetic flow to Brillouin one. Work is supported by RFBR under grant 03-02-17301.У рамках аналітичного підходу показано, що в коаксіальній магнетронній гарматі можливе існування багатозначних стаціонарних станів пучка при заданих значеннях зовнішніх параметрів (геометрія діода, напруга на пушку і зовнішнє магнітне поле), що відрізняються числом обертів електронів навколо катода і струмом, що емітується з катода. Показано можливість граничного переходу від кінетичного потоку до бриллюенівського потоку. Робота виконана за підтримкою гранта РФФД 03-02-17301.В рамках аналитического подхода показано, что в коаксиальной магнетронной пушке возможно существование многозначных стационарных состояний пучка при заданных значениях внешних параметров (геометрия диода, напряжение на пушке и внешнее магнитное поле), отличающихся числом оборотов электронов вокруг катода и током, эмиттируемым с катода. Показана возможность предельного перехода от кинетического потока к потоку бриллюэновскому. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 03-02-17301

Longitudinal diamagnetic effects in beam-plasma system embedded in an external magnetic field

High-current electrons beams generated in an external magnetic field in vacuum behave as a diamagnetic and force a magnetic field out of its volumes in radial direction. Under the condition of conservation of a magnetic flux the magnetic field inside of the beam decreases and increases outside. In the beam-plasma systems embedded in a magnetic field (plasma filled diodes or a beam in a plasma channel) another state of the beam with the total magnetic field increased to the axis can be realized. Radial focusing of the beam is ensured by electrostatic field of an ion pivot and azimuthal self magnetic field. If the external magnetic field changes in longitudinal direction then the value of magnetic field from the region of beam injection is transferred along near axis region of the system. It looks like a “magnetic needle” and resembles “frozen field” effect but the physics is different. Different beam-plasma systems were considered by means of computer simulation. Computer simulation was performed using electromagnetic PIC code KARAT.Сильноточные электронные пучки во внешнем магнитном поле ведут себя как диамагнетик, вытесняя магнитное поле из своего объема. При условии сохранения магнитного потока это сопровождается уменьшением результирующего магнитного поля внутри пучка и увеличением его снаружи. В пучково-плазменной системе в магнитном поле (плазменный диод или плазменный канал транспортировки) возможно другое равновесное состояние пучка, в котором результирующее магнитное поле растет ближе к оси системы. Радиальная фокусировка пучка обеспечивается электростатическим полем ионного остова и собственным азимутальным магнитным полем, в то время как продольное магнитное поле имеет дефокусирующий характер. Если внешнее магнитное поле меняется вдоль оси системы, то пучок захватывает и переносит вдоль оси поле из области инжекции. Этот эффект выглядит внешне как «магнитная игла» и напоминает эффект «вмороженности» поля, но отличается по физике. При численном моделировании с помощью электромагнитного кода КАРАТ рассмотрены различные пучково-плазменные системы.Потужнострумові електронні пучки у зовнішньому магнітному полі поводяться як діамагнетик, витісняючи магнітне поле зі свого обсягу. За умови збереження магнітного потоку це супроводжується зменшенням результуючого магнітного поля усередині пучка і збільшенням його зовні. У пучково-плазмовій системі в магнітному полі (плазмовий діод або плазмовий канал транспортування) можливо інший рівноважний стан пучка, у якому результуюче магнітне поле росте ближче до вісі системи. Радіальне фокусування пучка забезпечується електростатичним полем іонного кістяка і власним азимутальним магнітним полем, у той час як подовжнє магнітне поле має дефокусуючий характер. Якщо зовнішнє магнітне поле міняється уздовж вісі системи, то пучок захоплює і переносить уздовж вісі поле з області інжекції. Цей ефект виглядає зовні як «магнітна голка» і нагадує ефект «вмерзлості» поля, але відрізняється по фізиці. При чисельному моделюванні за допомогою електромагнітного кода КАРАТ розглянуто різні пучково-плазмові системи

Compact dynatron modulator

It is proposed to use a dynatron effect to modulate the voltage across the vacuum inverted coaxial diode with magnetic insulation supplied by an external pulsed high-voltage source connected to the modulator via the RL-circuit. Oscillations of the voltage due to oscillating regime of diode charging and/or azimuthal instability of a rotating electron flow stimulates back-bombardment electron flow to the cathode and leads to power spikes of secondary emission current exceeding the primary one. As a result, the amplitude of oscillations grows and the system can turn to self-supporting regime. Results of computer simulations are given to illustrate the main physical processes inside the modulator and its possible applications

Coupling states in moving quasi-neutral medium

The possibility of existence of spherically symmetrical quasi-neutral collective coupling states (CCS) in collisionless plasma is discussed. Correlation phenomena in quasi-neutral systems with hot electron component moving with average velocity close to ion one may occur in greatest degree and guide to the advantage of CCS forming. CCS consists of large numbers of electrons and ions, and represent regions with the potential differing from average (zero) plasma potential. The concept of CCS can be considered as non-linear BGK-waves. This definition is just applied in great degree for equilibrium configurations with non-linear electrostatic field. The simplest spherically symmetrical configuration has been considered without spin and polarisation in the frame of kinetic description for monochromatic on energy electron and ion components and distribution functions on full momentum in forms of simple power functions of different powers for electrons and ions. Asymptotic analytical and full numerical solutions were found for CCS with captured and passing particles turning into final density neutral plasma created chaotically moving electrons and ions in rest.Обговорюється можливість існування сферично симетричних квазінейтральних колективних зв'язаних станів (КЗС) у беззіштовхувальній плазмі. У квазінейтральних системах, утворених гарячим електронним компонентом, що рухається із середньою швидкістю близької до швидкості іонів, істотно виражені кореляційні явища, що обумовлюють формування КЗС. КЗС утворюються великим числом електронів і іонів і являють собою області з потенціалом, що відрізняється від середнього (нульового) потенціалу плазми. КЗС можна розглядати також як нелінійні БГК-хвилі. Останнє визначення саме в більшому ступені використовується для опису рівноважних станів з нелінійними електростатичними полями. Як приклад у рамках кінетичного опису, у якому електрони й іони є монохроматичними по енергії, а розподіли по моментах обрані у виді простих степеневих функцій з різними показниками для електронів і іонів, розглянуті найпростіші сферично симетричні конфігурації, що не мають спин і поляризацію. Отримано аналітичні асимптотичні і повні чисельні рішення, що описують КЗС із захопленими і минаючими частками, що переходять у нейтральну плазму кінцевої густини, утворену електронами, що хаотично рухаються, і непорушними іонами.Обсуждается возможность существования сферически симметричных квазинейтральных коллективных связанных состояний (КСС) в бесстолкновительной плазме. В квазинейтральных системах, образованных горячей электронной компонентой, движущейся со средней скоростью близкой к скорости ионов, существенно выражены корреляционные явления, обуславливающие формирование КСС. КСС образуются большим числом электронов и ионов и представляют собой области с потенциалом, отличающимся от среднего (нулевого) потенциала плазмы. КСС можно рассматривать также как нелинейные БГК-волны. Последнее определение как раз в большей степени используется для описания равновесных состояний с нелинейными электростатическими полями. В качестве примера в рамках кинетического описания, в котором электроны и ионы монохроматичны по энергии, а распределения по моментам выбраны в виде простых степенных функций с различными показателями для электронов и ионов, рассмотрены простейшие сферически симметричные конфигурации, не обладающие спином и поляризацией. Получены аналитические асимптотические и полные численные решения, описывающие КСС с захваченными и проходящими частицами, переходящими в нейтральную плазму конечной плотности, образованную хаотически движущимися электронами и покоящимися ионами

Radiation and beam energy spread in a channel with random rougness

The energy spread of particles inside a short bunch propagating along the co-axial channel with small random axially symmetric wall perturbations is calculated. Although the radiation is small, its reaction on particles distributed along a bunch can create a spread of particle energy and leads to an uncontrolled growth on a transverse emittance of the transported beam

High-current electron beam guiding by the creation of profiled plasma channel

Earlier performed experiments showed effectiveness of proposed approach for a high-current non-relativistic electron beam generation in a plasma-filled diode with a plasma anode and an explosive emission cathode. Our approach is based on the application of an additional low-current electron beam. This beam is used for the plasma anode and the transportation channel generation with predictable parameters of plasmas by the residual or prefilled gas ionization.. Measurements of plasma channel parameters in a wide region of experimental conditions confirm that this approach possesses to create radial profiled plasmas channels of desired plasmas density distribution for generation and transport of high-current beams.Проведені раніше експерименти по генерації плазмових каналів з контрольованим профілем густини по радіусі для генерації низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка в плазмозаповненному діоді з протяжним плазмовим анодом показали ефективність запропонованого підходу. У даній системі для генерації плазмового анода і каналу транспортування з заданими параметрами в результаті іонізації залишкового або спеціально напущеного в систему газу використаний допоміжний слабкострумовий пучок електронів. Вимірювання параметрів плазмового каналу в широкому діапазоні експериментальних умов показують, що такий метод дозволяє створювати радіально обмежені канали з необхідної густиною для одержання потужнострумових пучків з різним розподілом густини по перерізу пучка.Проведенные ранее эксперименты по генерации плазменных каналов с контролируемым профилем плотности по радиусу для генерации низкоэнергетичного сильноточного электронного пучка в плазмонаполненном диоде с протяженным плазменным анодом показали эффективность предложенного подхода. В данной системе для генерации плазменного анода и канала транспортировки с заданными параметрами в результате ионизации остаточного или специально напущенного в систему газа использован вспомогательный слаботочный пучок электронов. Измерения параметров плазменного канала в широком диапазоне экспериментальных условий показывают, что такой метод позволяет создавать радиально ограниченные каналы с необходимой для получения сильноточных пучков плотностью с различным распределением ее по сечению