Plasma focusing devices in external programmed magnetic field

At present there is a significant requirement for the development of devices for focusing high-energy intense ion beams for the solution of actual scientific and technological problems (inertial thermonuclear fusion on heavy and light ions, radiotherapy, high energy investigations, research of radiation resistance of materials, implantation metallurgy, etc.)

Comparison of plasma and vacuum corpuscular lenses by parameters determining their focusing strength

For three types of electrostatic lenses the focusing length is proportional, accordingly, to the second-, or first-, or half-power of the parameter representing the relation of a charged particle accelerating potential to a lens potential. Accordingly, for magnetic lenses the focusing length is proportional to the second-, or first-, or half-power of the parameter representing the relation of the particle kinetic momentum to the electromagnetic component of its canonical momentum

Polarization of free electrons by means of resonance microwave pumping using normal and anomalous doppler effect

The method of electron polarization by pumping the electron spin resonance (ESR), using a running wave with a phase velocity close to the electron beam velocity, is proposed. Repeatedly alternating pumping by the following wave and by the counter wave, it is possible to realize nearly full electron polarization. Similar, and even more effective, this method can make electron polarization using alternation of a normal Doppler effect on the following wave (thus the wave phase velocity exceeds the velocity of the beam) and an anomalous Doppler effect on the following wave too (when, on the contrary, the velocity of the beam exceeds the phase velocity of the wave)

Studies and applications of doppler effect for electron polarization and diagnostics of electron beams

The Doppler effect at the electron cyclotron resonance (ECR) was studied experimentally. Both a non-relativistic and a relativistic Doppler effect at ECR was detected. Using Doppler effect at ECR, it was developed the method of measuring the electron energy distribution function for electron beams with energies from non-relativistic to relativistic ones. Measurements were made for non-relativistic electron beams in case of three experimental schemes: close RF cavities, open microwave resonator, and propagation of microwaves in free space. A new method of polarization of free electrons was considered that based on the special mode of microwave pumping using Doppler effect at the electron spin resonance in an external uniform magnetic field.Робота по розщепленню ядер літію прискореними протонами, що була виконана в 1932 р. в УФТІ, в Харкові, визначила подальший швидкий прогрес у розвитку прискорювальної техніки та ядерної фізики. Поряд з цим розвивалися нові типи джерел ядерних частинок із спеціальними параметрами та нові методи їх діагностики. В цьому зв’язку в даній роботі розглядається використання ефекту Доплера для поляризації вільних електронів та для визначення функції розподілу електронів по енергіям в електронних пучках. Розглянуто наступні питання. Експериментально досліджено ефект Доплера на електронному циклотронному резонансі (ЕЦР). Було здійснено виміри як нерелятивістського, так і релятивістського ефекту Доплера. Із використанням ефекту Доплера на ЕЦР був розроблений метод виміру функції розподілу електронів по енергіям для нерелятивістських та релятивістських пучків. Виміри були проведені для нерелятивістських пучків у випадку трьох експериментальних схем: зачинені ВЧ резонатори, відчинений мікрохвильовий резонатор, схема розповсюдження хвиль у вільному просторі або у хвилеводах. Крім того, розглядався новий метод поляризації вільних електронів, заснований на спеціальній схемі мікрохвильової накачки із використанням ефекту Доплера на електронному спіновому резонансі у зовнішньому однорідному магнітному полі.Работа по расщеплению ядер лития ускоренными протонами, выполненная в 1932 г. в УФТИ, в Харькове, определила дальнейший быстрый прогресс в развитии ускорительной техники и ядерной физики. Наряду с этим развивались новые типы источников ядерных частиц со специальными параметрами и новые методы их диагностики. В этой связи в данной работе рассмотрено применение эффекта Доплера для поляризации свободных электронов и для определения функции распределения электронов по энергиям в электронных пучках. Рассмотрены следующие вопросы. Экспериментально исследован эффект Доплера на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР). Проведены измерения как нерелятивистского, так и релятивистского эффекта Доплера. С использованием эффекта Доплера на ЭЦР разработан метод измерения функции распределения электронов по энергиям для нерелятивистских и релятивистских пучков. Измерения были проведены для нерелятивистских пучков в случае трех экспериментальных схем: закрытые ВЧ резонаторы, открытый микроволновый резонатор, схема распространения волн в свободном пространстве или в волноводах. Кроме того, рассмотрен новый метод поляризации свободных электронов, который основан на специальной схеме микроволновой накачки с использованием эффекта Доплера на электронном спиновом резонансе во внешнем однородном магнитном поле

Anomalous Doppler effect at interaction of electro-magnetic waves with electron beams: experimental researches and opportunities for application

The anomalous Doppler effect (ADE) in systems consisting of an electron beam and slow wave structure in longitudinal magnetic field is considered. Resonance condition for amplifiers and generators based on ADE enables resonance maintaining in case of wave phase velocity or beam velocity changing (acceleration of ions at ADE, re­ception of high efficiency at microwave generation). Essential advantages can be reached at combination of ADE and normal Doppler effect. The review of experimental studies of ADE is presented: amplification and gen­eration of microwaves, energetic relations, excitation of accelerating IH-structures, development of ion acceleration

Aberrations in electromagnetic plasma lenses proposed for intense large-aperture ion beam focusing

It is shown, that in electromagnetic plasma lenses moment aberrations obey the conservation law of the moment of the ion generalized momentum; they disappear when an ion source is placed in a zero magnetic field. Geometrical aberrations can be removed by choice of the optimal electric field intensity distribution along the radius that have been calculated. As a result, the ion current density and beam compression can achieve in the focus a value up to 10³ A/cm², and 10⁵, accordingly. Then influence of discrete distribution of the external (boundary) electrical potential upon ion focusing was studied, and an example of two-lens achromatic system have been investigated as well.Досліджується плазмова лінза Морозова, у котрої магнітні поверхні є еквіпотенціалями електричного поля. Магнітне поле створюється центральним струмовим витком і двома бічними витками, включеними назустріч центральному. У роботі приведені результати комп'ютерного моделювання фокусування іонів з урахуванням їх поздовжнього, радіального й азимутального руху. Розглянуто засоби усунення моментних, геометричних і хроматичних аберацій. Проводиться оптимізація магнітного й електричного полів по величині і розподілу в просторі. Промодельоване вплив дискретного розподілу потенціалу на фокусування іонів і розглянуті пов'язані з цим аберації. Розглянуто комп'ютерну модель двухлінзової ахроматичної системи.Исследуется плазменная линза Морозова, в которой магнитные поверхности являются эквипотенциалями электрического поля. Магнитное поле создается центральным токовым витком и двумя боковыми витками, включенными навстречу центральному. В работе приведены результаты компьютерного моделирования фокусировки ионов с учетом их продольного, радиального и азимутального движения. Рассмотрены способы устранения моментных, геометрических и хроматических аберраций. Проводится оптимизация магнитного и электрического полей по величине и распределению в пространстве. Промоделировано влияние дискретного распределения потенциала на фокусировку ионов и рассмотрены связанные с этим аберрации. Рассмотрена компьютерная модель двухлинзовой ахроматической системы

Simulation of the initial part of a high-current proton accelerator with focusing by an electron beam

In this work it is simulated the proton acceleration with current of 0.1...0.6 A, energy up to 3 MeV. In this case the parameters of focusing electron beam are varied in the following limits: the current is 40…100 A, energy 100 kV, intensity of focusing magnetic field 2…3 kOe. The efficiency of proton capture to the acceleration process has been calculated as up to 99%.За допомогою комп'ютерного моделювання досліджується прискорення протонів із струмом 0.1 …0.6 А, енергією до 3 МеВ. При цьому параметри фокусуючого електронного пучка змінюються у межах: струм 40…100 А, енергія 100 кеВ, напруженість фокусуючого магнітного поля 2…3 кЕ. Коефіцієнт захоплення протонів у прискорення досягає 99%.Исследуется ускорение протонов с током 0.1…0.6 А, энергией до 3 МэВ. При этом параметры фокусирующего электронного пучка меняются в пределах: ток 40…100 А, энергия 100 кэВ, напряженность фокусирующего магнитного поля 2…3 кЭ. Коэффициент захвата протонов в ускорение достигает 99%

Measurements of very small plasma concentration by RF resonator with periodic slow wave structure

Necessity of contactless measuring small electron concentrations is actual, for example, in cosmic explorations, beam physics, electronics, etc. We found experimentally that the RF resonator with special periodic slow wave structure can measure n~10⁵-10⁸ cm⁻³. The frequency of the resonator main mode is 628 MHz; Q=4500, phase velocity is 4.4·10⁹ cm/sec. To determine the form-factor for this mode, an electron beam was passed through the resonator along its axis in vacuum of order of 10⁻⁶ Torr. The beam parameters were as following: energy 100 eV, current 1-10 mA, diameter 1 cm, that is corresponds to n~10⁷-10⁸ cm⁻³. Measurement accuracy was about of 10 %. After the calibration, this resonator was used successfully for plasma density measurements that created by proton beam with energy 5 MeV at ionization of gases at pressure of 10⁻⁴-10⁻⁵Torr.Необхідність безконтактних вимірювань малих електронних концентрацій актуально, наприклад, для космічних досліджень, фізики пучків, електроніки і т.д. Для вимірювання малих електронних концентрацій нами запропонований ВЧ резонатор з уповільнюючою структурою, що складається з кільцевих ВЧ електродів, закріплених на зустрічних підвісках. Завдяки такій геометрії істотно збільшується форм-фактор резонатора, тобто коефіцієнт пропорційності між концентрацією і зсувом власної частоти. Проте, у даному випадку форм-фактор не може бути знайдений теоретично. Щоб перебороти цю трудність ми застосували метод калібрування, заснований на тому, що повільний електронний пучок має такі ж ВЧ властивості, як і плазма. Калібрування по електронному пучку була проведена для декількох мод полого резонатора і для основної моди резонатора з періодичною структурою. При цьому вимірювався зсув частоти резонатора в залежності від струму пучка, відкіля визначалися форм-фактори. Точність вимірювань була порядку 10%. Після такого калібрування цей резонатор був з успіхом застосований для вимірювання густини плазми, утворюваної протонним пучком з енергією 5 МеВ при іонізації газів при тиску 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр.Необходимость бесконтактных измерений малых электронных концентраций актуально, например, для космических исследований, физики пучков, электроники и т.д. Для измерения малых электронных концентраций нами предложен ВЧ резонатор с замедляющей структурой, состоящий из кольцевых ВЧ электродов, закрепленных на встречных подвесках. Благодаря такой геометрии существенно увеличивается форм-фактор резонатора, т.е. коэффициент пропорциональности между концентрацией и сдвигом собственной частоты. Однако, в данном случае форм-фактор не может быть найден теоретически. Чтобы преодолеть эту трудность мы применили метод калибровки, основанный на том, что медленный электронный пучок имеет такие же ВЧ свойства, как и плазма. Калибровка по электронному пучку была проведена для нескольких мод полого резонатора и для основной моды резонатора с периодической структурой. При этом измерялся сдвиг частоты резонатора в зависимости от тока пучка, откуда определялись форм-факторы. Точность измерений была порядка 10%. После такой калибровки этот резонатор был успешно применен для измерения плотности плазмы, создаваемой протонным пучком с энергией 5 МэВ при ионизации газов при давлении 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр