The Algorithm of Economically Beneficial Overhead Wires Cross Section Selection Using Corrected Transmission Lines Mathematical Models

AbstractThe paper presents an unparalleled electric power system operating mode optimization algorithm aimed to economically beneficial overhead wires cross section selection with respect to electricity rate, electric power system elements price, reliability problem. The algorithm in question allows eliminating the limitation on the maximum allowable wires cross section with the help of corrected transmission lines mathematical models

Linear induction accelerator with charge and current compensation

The research of inertial controlled fusion (ICF) on high-current heavy-ion beams is one of the main trends in ICF. Modern techniques of a heavy-ion beam production and acceleration make it possible to obtain high-current beams with high intensity using linear induction accelerators (linacs). ICF purposes require the increasing of the beam intensity and the beam brightness by several orders. The main process that restricts the high-current ion beam intensity is the beam spreading caused by the influence of self-fields of charged particle beam. Self-fields are several orders greater than the external fields used for beam control, acceleration and focusing. Under these conditions, it is impossible to obtain high-current heavy-ion beams of quality necessary for ICF without charge and current compensation of beams

Wave nonlinear interaction effect on beam-plasma reciprocal influence

The authors have examined the oscillation excitation by an extensive nonrelativistic beam of electrons in the beamplasma discharge in the magnetic field when the beam power is about hundreds of kilowatts. It is demonstrated that lowfrequency (LF) ion waves from the range of the low hybrid (LH) resonance play the determinative role in maintaining the beam-plasma discharge. Excitation of such waves is stimulated by the nonlinear interaction between electron plasma oscillation modes of the decay type. The electromagnetic radiation emission from the discharge of pulses is stimulated by the above-mentioned nonlinear interaction, which also causes the wave stochasticity and stabilizes the beam instability.Приведені результати досліджень збудження коливань довгим нерелятивістським електронним пучком при потужності сотні кіловат в пучково-плазмовому розряді в магнітному полі. Показано, що в підтримці пучково- плазмового розряду визначаючу роль відіграють низькочастотні іонні хвилі із області нижчегібридного резонансу. Їх збудження зумовлено нелінійною взаємодією електронних плазмових мод коливань типу розпаду. Електромагнітне випромінювання з розряду імпульсів обумовлене вище вказаною нелінійною взаємодією. Вона і приводить до стохастизації та стабілізації пучкової нестійкості.Проведены результаты исследований возбуждения колебаний протяженным нерелятивистским электронным пучком при мощности сотни киловатт в пучково-плазменном разряде в магнитном поле. Показано, что в поддержании пучково-плазменного разряда определяющую роль играют низкочастотные ионные волны из области нижнегибридного резонанса. Их возбуждение обусловлено нелинейным взаимодействием электронных плазменных мод колебаний типа распада. Электромагнитное излучение из разряда импульсов обусловлено выше указанным нелинейным взаимодействием. Оно же приводит к стохастизации волн и стабилизации пучковой неустойчивости

Stabilization of beam instability in wave-wave interaction

The new mechanism of stabilization of beam instability is proposed. The basis of this mechanism is the process of dynamical chaos at weak nonlinear interaction of waves. It is shown that mechanisms of stochastic decay are responsible for the stabilization. In this process the part of the energy is removed by eigen waves of plasma which take part in decay process. Besides the fields with random amplitudes and phases effectively transfer their energy to plasma particles. It is shown, that efficiency of excitation (reinforcing) of waves with random characteristics is sufficiently lower than efficiency of excitation of regular waves.Пропонується механізм стабілізації пучкової нестійкості. В основі механізму лежить процес динамічного хаосу полів при слабко нелінійній взаємодії хвиль. Показано, що за стабілізацію відповідальні механізми стохастичного розпаду. При цьому частина енергії забирається власними хвилями плазми, які беруть участь у розпадному процесі. Крім того, поля з випадковими амплітудами і фазами ефективно передають свою енергію часткам плазми. Показано, що ефективність збудження (посилення) хвиль з випадковими характеристиками значно нижче, ніж ефективність порушення регулярних хвиль.Предлагается механизм стабилизации пучковой неустойчивости. В основе механизма лежит процесс динамического хаоса полей при слабо нелинейном взаимодействии волн. Показано, что за стабилизацию ответственны механизмы стохастического распада. При этом часть энергии уносится собственными волнами плазмы, которые участвуют в распадном процессе. Кроме того, поля со случайными амплитудами и фазами эффективно передают свою энергию частицам плазмы. Показано что эффективность возбуждения (усиления) волн со случайными характеристиками значительно ниже, чем эффективность возбуждения регулярных волн

Electron sources for plasma electronics and different technological application

There are the following advantages of applying electron guns with plasma cathodes in devices exciting microwave radiation: stability of their parameters, high density of current, relative insensitivity to ion bombardment and the possibility of operating over a wide range of pressure values of a plasma-generating gas [1-5]. The given work aims at constructing the guns with the parameters necessary for the excitation of microwaves of high amplitudes in the slow-wave structures: the beam energy is 20-30 kV, the current is up to 5 A, and the pulse duration is 0,11÷1 ms. The principal problem arising during construction of heavy-current electron sources with plasma emitters consists in the following: it is necessary to provide such conditions of the gas volume, under which the discharge firing would be stable and the emissive plasma generation be effective, whereas a gas breakdown in the accelerating gap must be eliminated

Particle dynamics in the injector of ion linear induction accelerator

The investigations of the particle dynamics in the injector of a linear induction accelerator (LIA) in the presence of an accelerating electric field and a uniform longitudinal magnetic field of various magnitudes have been presented. It is shown that at found parameters of the system and particles the ion beam at the exit of the injector keeps the transverse dimensions and its current close to the initial, that allows to count on the accomplishment of its further transportation through the LIA section.Проведено дослідження динаміки частинок в інжекторі лінійного індукційного прискорювача (ЛІП) при наявності прискорюючого електричного і однорідного поздовжнього магнітного полів різних величин. Показано, що при знайдених параметрах системи і частинок іонний пучок на виході з інжектора зберігає поперечні розміри та струм, близькими до первинних, що дозволяє розраховувати на реалізацію його подальшого транспортування через секцію ЛІП.Проведены исследования динамики частиц в инжекторе линейного индукционного ускорителя (ЛИУ) при наличии ускоряющего электрического и однородного продольного магнитного полей различных величин. Показано, что при найденных параметрах системы и частиц ионный пучок на выходе из инжектора сохраняет поперечные размеры и ток, близкими к первоначальным, что позволяет рассчитывать на реализацию его дальнейшей транспортировки через секцию ЛИУ

High-current ion induction linac for heavy ion fusion : 2d3v numerical simulation

The 2d3v particle-in-cell simulations of the transport and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. The ion beam is neutralized by an accompanying electron beam. The accelerating electric fields in the first, third, and fifth cusps are chosen so that electron beam kinetic energy is slightly higher than the potential barrier of the accelerating field in each cusp. The second, fourth, and sixth cusps are used for injection of additional high current electron beams. The accelerating fields in the second, fourth, and sixth cusps are zero. The simulations involve solving a complete set of Maxwell’s equations with charge-conserving schemes for calculating the current density on a mesh, and relativistic motion equations for charged particles. It is shown, that at chosen acceleration rates the quality of ion distribution function on the accelerator exit is not worsened drastically in comparison with the transportation mode. It is shown, that the optimized in space and time injection of additional high current electron beams in cusps results in increase of accelerated ion beam monochromaticity and to reduction it divergency on an accelerator exit.Наведено результати 2.5-вимірного числового моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення трубчастого сильнострумового іонного пучка, який супроводжується компенсуючим електронним пучком, у шести магнітоізольованих прискорюючих проміжках. Прискорюючі електричні поля у першому, третьому і п’ятому каспах обрано такими, щоб кінетична енергія компенсуючого електронного пучка була трохи більша за потенціальний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі. Другий, четвертий і шостий каспи, в яких прискорюючі поля відсутні, використовуються для інжекції додаткових сильнострумових електронних пучків. Моделювання методом макрочастинок виконано з розв’язанням повних рівнянь Максвелла з використанням зберігаючої заряд схеми обчислення щільності струму на сітці, а також з розв’язанням релятивістських рівнянь руху заряджених частинок. Показано, що при обраних прискорюючих полях якість функції розподілу іонного пучка на виході прискорювача суттєво не погіршується у порівнянні з режимом транспортування. Показано також, що оптимізована у просторі і часі інжекція додаткових сильнострумових електронних пучків у каспи призводить до збільшення моноенергетичності прискорюємого іонного пучка і до зменшення його розбіжності на виході прискорювача.Приведены результаты 2.5-мерного численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка, сопровождаемого компенсирующим электронным пучком, в шести магнитоизолированных ускоряющих промежутках. Укоряющие электрические поля в первом, третьем и пятом каспах выбраны таким образом, чтобы кинетическая энергия компенсирующего электронного пучка немного превосходила потенциальный барьер ускоряющего поля в каждом каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в которых ускоряющие поля отсутствуют, используются для инжекции дополнительных сильноточных электронных пучков. Моделирования методом макрочастиц выполнены с решением полных уранений Максвелла с использованием сохраняющей заряд схемы вычисления плотностей тока на сетке, а также с решением релятивистских уравнений движения заряженных частиц. Показано, что при выбраных ускоряющих полях качество функции распределения ионов на выходе ускорителя существенно не ухудшается по сравнению с режимом транспортировки. Показано также, что оптимизированная в пространстве и времени инжекция дополнительных сильноточных электронных пучков в каспы приводит к увеличению монохроматичности и уменьшению расходимости ускоряемого ионного пучка на выходе ускорителя

Beam instability stabilization in hybrid plasma waveguide

The authors submit the results of investigations of the beam-plasma instability derangement in the hybrid plasma waveguide. The latter, placed into the longitudinal magnetic field, consists of a chain of cavities connected inductively and its passage channel is filled with plasma. In this plasma, the excitation of low-frequency oscillations that belong to the low-hybrid resonance range is examined. The investigations are carried out in the beam-plasma oscillator. The plasma is generated and maintained due to the beam-plasma discharge.Приведені результати дослідження зриву пучково-плазмової нестійкості у гібридному плазмовому хвилеводі, розміщеному в поздовжньому магнітному полі, що складається з ланцюга індуктивно зв’язаних резонаторів, пролітний канал якого заповнений плазмою, при збудженні низькочастотних коливань в його плазмі із області нижнєгібридного резонансу зовнішнім генератором. Гібридний плазмовий хвилевід використовується в пучково-плазмовому генераторі. Плазма створюється і підтримується за рахунок пучково-плазмового розряду.Приведены результаты исследования срыва пучково-плазменной неустойчивости в гибридном плазменном волноводе, помещенном в продольное магнитное поле, состоящем из цепочки индуктивно связанных резонаторов, пролетный канал которой заполнен плазмой, при возбуждении низкочастотных колебаний в его плазме из области нижнегибридного резонанса внешним генератором. Гибридный плазменный волновод используется в пучково-плазменном генераторе. Плазма образовывается и поддерживается за счет пучково- плазменного разряда.The authors are grateful to A.P. Tolstolugsky for the calculation of the spiral aerial, loaded with plasma and to L.D. Lobzov for the oscillator adjustment. S.S. Pushkarev’s help in the elaboration of the technique of registering the probing pulses in plasma with probes is gratefully acknowledged. We also wish to thank V.A. Buts for the discussion of the results and valuable suggestions in the course of the work fulfillment

Features of behavior of electrons of plasma in open trap in condition of transverse input of powerful microwave pulses at ECR

It has been experimentally shown that the effect of oscillations of large amplitude on the frequency of electron cyclotron resonance on a plasma held by a magnetic trap leads to an effective acceleration of the plasma electrons and the formation of directed electron fluxes, which in turn stimulate repeated microwave oscillations. A consequence of such a process is the appearance of alternating pulses of microwave oscillations in time.Експериментально показано, що вплив коливань великої амплітуди на частоті електронноциклотронного резонансу на плазму, що утримується магнітною пасткою, призводить до ефективного прискорення електронів плазми і формування направлених потоків електронів, які, в свою чергу, збуджують повторні НВЧ-коливання. Наслідком такого процесу є поява імпульсів НВЧ-коливань, які чергуються в часі.Экспериментально показано, что воздействие колебаний большой амплитуды на частоте электронноциклотронного резонанса на плазму, удерживаемою магнитной ловушкой, приводит к эффективному ускорению электронов плазмы и формированию направленных потоков электронов, которые, в свою очередь, возбуждают повторные СВЧ-колебания. Следствием такого процесса является появление чередующихся во времени импульсов СВЧ-колебаний

Numerical modeling of high current ion beam transport with additional injection of electron beams in drift and accelerating gaps of LIA

The dynamics of a high-current ion beam (HCIB) in the system, consisting of magneto-isolated accelerating gap and the drift gap (DG) of the experimental model of linear induction accelerator (LIA) has been studied. The optimization of the magnetic field geometry, the place and time of the additional electron beam injection, as well as its cross dimension is occurred. It is shown that at found parameters of the beams, the external magnetic field, the injection of the main and additional electron beams, HCIB can be compensated (HCIB and an additional electron beam currents practically equal to the initial values and are equal to each other), so that at the exit from the system, ion beam parameters are suitable for a number important technological applications.Исследована динамика сильноточного ионного пучка (СИП) в системе, состоящей из магнитоизолиро- ванного ускоряющего зазора и дрейфового промежутка экспериментальной модели линейного индукцион- ного ускорителя. Проведена оптимизация геометрии магнитного поля, места и времени инжекции дополни- тельного электронного пучка, а также его поперечного размера. Показано, что при установленных парамет- рах пучков, внешнего магнитного поля, инжекции основного и дополнительного электронных пучков удаёт- ся скомпенсировать СИП (токи СИП и дополнительного электронного пучка практически равны первона- чальным значениям и равны между собой) так, что на выходе из системы его параметры остаются пригод- ными для ряда важных технологических приложений.Досліджено динаміку сильнострумового іонного пучка (СІП) в системі, що складається з магнітоізольо- ваного прискорюючого зазору та дрейфового проміжку експериментальної моделі лінійного індукційного прискорювача. Проведена оптимізація геометрії магнітного поля, місця і часу інжекції додаткового елект- ронного пучка, а також його поперечного розміру. Показано, що при встановлених параметрах пучків, зов- нішнього магнітного поля, інжекції основного і додаткового електронних пучків вдається компенсувати СІП (струми СІП і додаткового електронного пучка практично дорівнюють первинним значенням та є рівними між собою) так, що на виході з системи його параметри залишаються придатними для ряду важливих техно- логічних застосувань