Simple pulse microwave waveguide calorimeter with temperature sensor LM 35

The paper presents the construction of a storage-type waveguide calorimeter designed to measure the energy of a sequence of short microwave pulses. The radiation is absorbed by water or ethanol, then the temperature increase is recorded by the LM 35 sensor. When using 14 cm³ of water, the energy measurement range is 3…88 J, and when using ethanol 1.3…40 J. The calorimeter is simple, cheap, and reliable.Представлена конструкція хвилеводного калориметра накопичувального типу, призначеного для вимірювання енергії послідовності коротких мікрохвильових імпульсів. Випромінювання поглинається водою або етанолом, потім підвищення температури фіксується датчиком LM 35. При використанні 14 cm³ води діапазон вимірювання енергії становить 3…88 Дж, а при використанні етанолу – 1,3…40 Дж. Калориметр простий, дешевий і надійний

High sensitivity calorimeter for measuring wakefields energy excited by a train of electron bunches

The special calorimeter for measuring total energy of HF-wakefields excited in plasma or dielectric by relativistic electron bunches has been elaborated. Simple by design calorimeter operates in the energy range from 0.02 J up to 780 J. Water is used as an absorbing material. For measuring irradiated water volume change the capacitive ferroceramic sensor was applied. Sensor sensitivity is 8.7 pF/J that two orders exceeds sensitivity of capacitor-sensor used in our experiments before. The calorimeter is not sensitive to nonuniformity of radiation field, and its response on HFradiation is high enough. Calorimeter design allows along with measuring radiation energy simultaneously controlling the current of bunches sequence.Розроблено спеціальний калориметр для виміру енергії НВЧ–кільватерних полів, збуджуваних в плазмі або діелектрику релятивістськими електронними згустками. Простий по конструкції калориметр працює в діапазоні енергій 0,02-780 Дж. Як поглинаючий матеріал використана вода. Зміна її об’єму вимірюється ємнісним сегнетокерамічним датчиком, чутливість якого складає 8,7 пФ/Дж, що на два порядки перевищує чутливість ємнісних датчиків, які використовувались раніше.Разработан специальный калориметр для измерения полной энергии СВЧ–кильватерных полей, возбуждаемых в плазме или диэлектрике релятивистскими электронными сгустками. Простой по конструкции калориметр работает в диапазоне энергий 0,02-780 Дж. В качестве поглощающего материала использована вода. Для измерения изменения ее объема применен емкостной сегнетокерамический датчик, чувствительность которого составляет 8,7 пФ/Дж, что на два порядка превышает чувствительность применявшихся ранее емкостных датчиков

Schemes for acceleration a part of electrons of drive electron bunches in the dielectric wakefield structure

The paper presents several schemes for obtaining the main (witness) bunches from a long sequence of electron bunches, as well as from a part of a single electron bunch in the dielectric wakefield structure. The selected part of the electron bunches passes into the accelerating phase of the wake field due to the difference in the geometric path length between the separated electrons and the excited wakefield.Представлені схеми для додаткового прискорення невеликої частини електронів кожного з довгої послідовності електронних згустків, а також частини окремого електронного згусткa кільватерним полем, яке збуджується самими згустками в діелектричній структурі. Виділена частина електронів потрапляє в прискорювальну фазу кільватерного поля завдяки різниці геометричної довжини шляху між виділеними електронами і збудженим кільватерним полем

Acceleration and focusing of electron bunches by wakefields in plasma produced in neutral gas by a nonresonant sequence of bunches

It is experimentally investigated the possibility of accelerating and focusing of relativistic electron bunches by wakefields excited by their sequence in plasma, produced during its passage through the neutral gas, caused by the displacement of bunches into corresponding phases of excited field in the presence of mismatch between the bunch repetition frequency and plasma frequency. The mismatch is achieved by changing the pressure of the neutral gas at a fixed beam current density. Energy loss of some bunches and energy gain of others in the presence of other mismatch are estimated from the energy spectrum obtained from the imprints on the glass plate of bunches deflected with the transverse magnetic field. Focusing/defocusing of electron bunches is demonstrated by the change of the transverse sizes of imprints of nondeflected bunches and corresponding temporal modulation of the axial current density of the beam measured by Faraday cup of small cross-sectionЭкспериментально исследована возможность ускорения и фокусировки релятивистских электронных сгустков кильватерными полями, возбуждаемыми их последовательностью в плазме, создаваемой при ее прохождении через нейтральный газ и обусловленной смещением сгустков в соответствующие фазы возбуждаемого поля при наличии расстройки между частотой следования сгустков и плазменной частотой. Расстройка достигалась изменением давления нейтрального газа при неизменной плотности тока пучка. Потери энергии одних сгустков и ускорение других при наличии расстройки оценивались по энергетическому спектру, полученному из отпечатков на стеклянной пластине сгустков, отклоненных поперечным магнитным полем. Фокусировка/дефокусировка электронных сгустков демонстрируется изменением поперечных размеров отпечатков неотклоненных сгустков и соответствующей временной модуляцией осевой плотности тока пучка, измеренной цилиндром Фарадея малого сечения.Експериментально досліджена можливість прискорювання і фокусування релятивістських електронних згустків кільватерними полями, збуджуваними їх послідовністю у плазмі, створюваної при її проходженні через нейтральний газ і обумовленої зміщенням згустків у відповідні фази збуджуваного поля при наявності розстройки між частотою слідування згустків і плазмовою частотою. Розстройка досягалась зміною тиску нейтрального газу при постійній щільності струму пучка. Втрати енергії одних згустків і прискорення інших при наявності розстройки оцінювались з енергетичного спектру, отриманому з відбитків на скляній пластині згустків, відхилених поперечним магнітним полем. Фокусування/дефокусування електронних згустків демонструється зміною поперечних розмірів відбитків невідхилених згустків і відповідною часовою модуляцією осьової щільності струму пучка, виміряної циліндром Фарадея малого перетину

Dielectric wakefield researches

Excitation of wakefields in cylindrical dielectric waveguide/resonator by a sequence of relativistic electron bunches was investigated using an electron linac «Almaz-2» (4.5 МeV, 6·10³ bunches of duration 60 ps and charge 0.32 nC each). Energy spectrum of electrons, radial topography and longitudinal distribution of wakefield, and total energy of excited wakefield were measured by means of magnetic analyzer, high frequency probe, and a sensitive calorimeter.Исследовано возбуждение кильватерных полей в цилиндрическом диэлектрическом волноводе/резонаторе последовательностью релятивистских электронных сгустков на линейном электронном ускорителе «Алмаз-2» (4.5 МэВ, 6•10³ сгустков длительностью 60 пс и зарядом 0.32 нКл каждый). Измерены энергетические спектры электронов, радиальная топография и продольное распределение кильватерного поля и его энергия с помощью магнитного анализатора, ВЧ-зондов и чувствительного калориметра.Досліджено збудження кільватерних полів у циліндричному діелектричному хвилеводі/резонаторі регулярною послідовністю релятивістських електронних згустків на лінійному електронному прискорювачі «Алмаз-2» (4.5 МеВ, 6·10³ згустків тривалістю 60 пс і зарядом 0.32 нКл кожний). Виміряні енергетичні спектри електронів, радіальна топографія та поздовжній розподіл кільватерного поля та його енергія за допомогою магнітного аналізатора, ВЧ-зондів і чутливого калориметра

Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches

Wakefield excitation in a plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches with the purpose to increase excited field amplitude in comparison to waveguide case is experimentally investigated. A sequence of short electron bunches is produced by the linear resonant accelerator. Plasma resonator is formed at the beam-plasma discharge in rectangular metal waveguide filled with gas and closed by metal foil at entrance and movable short-circuited plunger at exit. Measurements of wakefield amplitude are performed showing considerably higher wakefield amplitude for resonator case.Експериментально досліджується збудження кільватерних полів послідовністю релятивістських електронних згустків у плазмовому резонаторі з метою збільшення амплітуди збудженого поля порівняно з хвилевідним випадком. Послідовність коротких електронних згустків генерується лінійним резонансним прискорювачем. Плазмовий резонатор формується при пучково-плазмовому розряді в прямокутному металевому хвилеводі, заповненим газом та закритим металевою фольгою на вході й рухомим короткозамкненим плунжером на виході. Виконані виміри амплітуди кільватерного поля, які показують значно більші амплітуди для резонаторного випадку.Экспериментально исследуется возбуждение кильватерных полей последовательностью релятивистских электронных сгустков в плазменном резонаторе с целью увеличения амплитуды возбужденного поля по сравнению с волноводным случаем. Последовательность коротких электронных сгустков генерируется линейным резонансным ускорителем. Плазменный резонатор формируется при пучково-плазменном разряде в прямоугольном металлическом волноводе, заполненном газом и закрытым металлической фольгой на входе и подвижным короткозамкнутым плунжером на выходе. Выполнены измерения амплитуды кильватерного поля, показывающие значительно большие амплитуды для резонаторного случая

Acceleration of electrons at wakefield excitation by a sequence of relativistic electron bunches in dielectric resonator

Method is proposed to divide a regular sequence of electron bunches into parts of bunches driving wakefield and witness bunches, which should be accelerated. It allows to avoid the necessity of additional electron accelerator for witness bunches producing and the necessity of precision short time techniques of injection phase adjusting. The idea concludes to the frequency detuning between bunches repetition frequency and the frequency of the fundamental mode of excited wakefield. Experiments were carried out on the linear resonant accelerator "Almaz-2", which injected in the dielectric resonator a sequence of 6000 short bunches of relativistic electrons with energy 4.5МeV, charge 0.16 nC and duration 60psec each, the repetition interval 360 ps. Frequency detuning was entered by change of frequency of the master generator of the klystron within the limits of one percent so that the phase taper on the length of bunches sequence achieved 2π. Energy spectra of electrons of bunches sequence, which have been propagated through the dielectric resonator are measured and analyzed.Запропоновано метод поділення регулярної послідовності електронних згустків на згустки, що збуджують кільватерне поле і згустки-свідки, які повинні прискорюватися. Це дозволяє уникнути необхідності в додатковому прискорювачі для отримання згустків-свідків і прецизійної короткоімпульсної техніки для вибору фази інжекції. Ідея зводиться до введення розладу між частотою проходження згустків і частотою основної моди кільватерного поля, що збуджується. Експерименти проводились на лінійному резонансному прискорювачі «Алмаз-2», який інжектував в діелектричний резонатор послідовність 6000 коротких згустків релятивістських електронів з енергією 4.5 МеВ, зарядом 0.16 нКл і тривалістю кожного 60 пс, інтервал повторення 360 пс. Розлад частоти вводився змінюванням частоти задавальног генератора клістрона в межах одного процента, так що набіг фази на довжині послідовності згустків сягав 2π. Вимірювались і аналізувались енергетичні спектри електронів послідовності згустків, що пройшли через діелектричний резонатор.Предложен метод разделения регулярной последовательности электронных сгустков на сгустки, возбуждающие кильватерное поле, и сгустки-свидетели, которые должны ускоряться. Это позволяет избежать необходимости в дополнительном ускорителе для получения сгустков-свидетелей и прецизионной коротко- импульсной техники для выбора фазы инжекции. Идея сводится к введению расстройки между частотой следования сгустков и частотой основной моды возбуждаемого кильватерного поля. Эксперименты проводились на линейном резонансном ускорителе «Алмаз-2», который инжектировал в диэлектрический резонатор последовательность 6000 коротких сгустков релятивистских электронов с энергией 4.5МэВ, зарядом 0.16 нКл и длительностью каждого 60 пс, время повторения 360 пс. Расстройка частоты вводилась изменением частоты задающего генератора клистрона в пределах одного процента, так что набег фазы на длине последовательности сгустков достигал 2π. Измерялись и анализировались энергетические спектры электронов последовательности сгустков, прошедших через диэлектрический резонатор

The net current increase at moves sequence of relativistic electron bunches in plasma with decreasing density

The results of experimental studies of increasing the net current (sum of the beam current and the plasma current) during propagation of the sequence of 6000 relativistic electron bunches with a charge 0.32 nQ and duration 60 ps for each in a plasma with decreasing density are presented. A plasma with decreasing density in the initially neutral gas (air) is formed by the electron bunches due to the angular divergence of electrons in bunches. The maximum increase of the net current is observed in the pressure range of 10…100 Torr. It was found that during propagation of electron bunches in the open atmosphere also is observed increase of the net current which depends on the distance from the exit of the accelerator.Представлены результаты экспериментальных исследований увеличения полного тока (сумма тока пучка и плазменного тока) при распространении последовательности из 6000 релятивистских электронных сгустков с зарядом 0,32 нК и длительностью 60 пс каждого в плазме со спадающей плотностью. Спадающая плотность плазмы в первоначально нейтральном газе (воздухе) формируется самими электронными сгустками за счет углового расхождения электронов в сгустках. Максимальное увеличение полного тока наблюдается в диапазоне давлений 10…100 Торр. Обнаружено, что при распространении последовательности электронных сгустков в атмосфере также наблюдается увеличение полного тока пучка, зависящее от расстояния до выхода из ускорителя.Представлені результати експериментальних досліджень збільшення повного струму (сума струму пучка і плазмового струму) при поширенні послідовності з 6000 релятивістських електронних згустків із зарядом кожного 0,32 нК і тривалістю 60 пс кожного в плазмі зі спадаючою щільністю. Спадаюча щільність плазми в початково нейтральному газі (повітрі) формується самими електронними згустками за рахунок кутової розбіжності електронів у згустках. Максимальне збільшення повного струму спостерігається в діапазоні тиску 10…100 Торp. Виявлено, що при поширенні послідовності електронних згустків в атмосфері також спостерігається збільшення повного струму пучка, величина якого залежить від відстані до виходу з прискорювача

To the mechanism of modulated REB current increase during its propagation through plasma

The mechanism of full current increase is investigated in this paper. This current arises at transporting of the short relativistic electron bunches in the plasma, formed by them at gas of large pressure. This phenomenon is determined by the electric field, arising at motion of the relativistic electron bunches, having an angular divergence, in the plasma

Experiments on resonator concept of plasma wakefield accelerator driven by a train of relativistic electron bunches

The experimental installation was elaborated to increase plasma wakefield amplitude by means of using plasma resonator that allows all bunches of the train to participate in wakefield build-up contrary to waveguide case, in which due to group velocity effect only a part of the bunches participates. Experiments on plasma producing with resonant density, at which a coincidence of the plasma frequency and bunch repetition frequency is provided, are carried out. The first results of the measurements of beam energy loss on plasma wakefield excitation and energy gain by accelerated electrons are presented.Розроблена експериментальна установка для збільшення амплітуди кільватерного поля при використанні плазмового резонатора, який дозволяє усім згусткам послідовності приймати участь у збільшенні амплітуди кільватерного поля, у відмінність від хвилеводного випадку, для якого через ефект групової швидкості у цьому приймає участь тільки частина згустків. Виконані експерименти по отриманню плазми з густиною, яка забезпечує співпадання плазмової частоти и частоти проходження згустків. Представлені перші результати вимірювань втрат енергії пучка на збудження кільватерних полів у плазмі та здобутої енергії прискореними електронами.Разработана экспериментальная установка для увеличения амплитуды кильватерного поля при использовании плазменного резонатора, который позволяет всем сгусткам последовательности участвовать в увеличении амплитуды кильватерного поля, в отличие от волноводного случая, для которого из-за эффекта групповой скорости в этом участвует только часть сгустков. Выполнены эксперименты по получению плазмы с плотностью, обеспечивающей совпадение плазменной частоты и частоты следования сгустков. Представлены первые результаты измерений потерь энергии пучка на возбуждение кильватерных полей в плазме и приобретаемой энергии ускоряемыми электронами