Investigation of parameters of electron and positron bunches in a plasma-dielectric wakefield accelerator

The results of numerical PIC-simulation of the dynamics of accelerated positron and drive electron bunches under wake acceleration in a dielectric waveguide filled with plasma with a vacuum channel are presented. The wake field was excited by an electron bunch in a quartz dielectric tube inserted into a cylindrical metal waveguide. The inner region of the dielectric tube was filled with plasma with a vacuum channel along the waveguide axis. The difference in the energy and spatial characteristics, acceleration efficiency, emittance, and energy spread for positron and electron bunches is studied for different radii of the vacuum channel and two models of the plasma density dependence on the radius: a homogeneous and an inhomogeneous dependence characteristic of a capillary discharge.Наведено результати чисельного PIC-моделювання динаміки прискореного позитронного та драйверного електронного згустків при кільватерному прискоренні в діелектричному хвилеводі, заповненому плазмою з вакуумним каналом. Кільватерне поле збуджувалося електронним згустком у кварцовій діелектричній трубці, вставленій у циліндричний металевий хвилевід. Внутрішня область діелектричної трубки була заповнена плазмою з вакуумним каналом вздовж осі хвилеводу. Досліджено відмінність в енергетичних та просторових характеристиках, ефективності прискорення, емітансі та енергетичному розкиді для позитронного та електронного згустків при різних радіусах вакуумного каналу та двох моделях залежності щільності плазми від радіусa: однорідної та неоднорідної залежності характерної для капілярного розряду

PIC simulation of nonlinear wakefield excitation by a train of electron bunches in a waveguide with isotropic plasma

The results of analytical investigations and numerical simulation (in 2.5–dimensional electromagnetic code) of nonlinear wake fields excitation by regular sequence of relativistic electron bunches in isotropic (no external magnetic field) plasma are presented. The dynamics and distribution of electromagnetic field are investigated. The waves predicted in the system by linear theory of wake fields excitation were observed in the numerical experiment.Представлено результати чисельного моделювання збудження нелінійних кільватерних хвиль регулярною послідовністю релятивістських електронних згустків в ізотропній (тобто, у відсутності зовнішнього магнітного поля) плазмі. Досліджено динаміку й розподіл електромагнітного поля. Проведене чисельне моделювання за допомогою методу великих часток з параметрами згустків і плазми у планованих в ННЦ ХФТІ експериментах, підтвердило результати лінійної теорії про збудження ленгмюровської хвилі, що зосереджена в плазмовому кільці.Представлены результаты численного моделирования возбуждения нелинейных кильватерных волн регулярной последовательностью релятивистских электронных сгустков в изотропной (в отсутствие внешнего магнитного поля) плазме. Исследована динамика и распределение электромагнитного поля. Проведенное численное моделирования с помощью метода крупных частиц с параметрами сгустков и плазмы в планируемых в ННЦ ХФТИ экспериментах, подтвердило результаты линейной теории о возбуждении ленгмюровской волны, которая сосредоточена в плазменном кольце

Numerical simulation of the supercritical electron beam dynamics in magnetic field of finite size in the presence of plasma

The first results of development of a numerical electromagnetic 2.5-dimensional code «SOM 2.5» (3 dimensional by the velocities and 2 dimensional by the coordinates) for researching of a virtual cathode in the presence of plasma are submitted.Представлено перші результати створення чисельного електромагнітного 2,5-мірного (3-х мірного по швидкостях і 2-х мірного по координатах) коду для дослідження віртуального катоду в присутності плазми.Представлены первые результаты создания численного электромагнитного 2,5-мерного (3-х мерного по скоростям и 2-х мерного по координатам) кода для исследования виртуального катода в присутствии плазмы

Spatio-temporal structure of Cherenkov radiation excited by a laser pulse in an ionic dielectric waveguide

The process of excitation of Cherenkov electromagnetic radiation by a laser pulse in an ionic dielectric waveguide, is investigated. The frequency spectrum and mode composition of the Cherenkov radiation are determined. The spatio-temporal structure of the Cherenkov electromagnetic field is obtained and investigated.Досліджено процес збудження черенковського електромагнітного випромінювання лазерним імпульсом в іонному діелектричному хвилеводі. Визначено частотний спектр та модовий склад черенковського випромінювання. Отримана й досліджена просторово-часова структура черенковського електромагнітного поля.Исследован процесс возбуждения черенковского электромагнитного излучения лазерным импульсом в ионном диэлектрическом волноводе. Определены частотный спектр и модовый состав черенковского излучения. Полученa и исследована пространственно-временная структура черенковского электромагнитного поля

Increase of efficiency of acceleration of the test electron bunch by sequence of electron bunches in the rectangular dielectric resonator at plasma filling

A result of numerical simulation of acceleration of the test electron bunch following a sequence of relativistic electron bunches in the rectangular dielectric resonator when filling the drift channel with plasma of different density is provided. We have found out that at change of plasma density the linear growth of energy gain of test bunch electrons is observed. It is connected with structure ordering of longitudinal accelerating electric field in the resonator and also with increase in its amplitude. It is due to that at periodic injection of drive bunches on resonator axis the areas with the increased plasma electrons density are formed.Представлено результати чисельного моделювання прискорення тестового згустка електронів, що прямує за послідовністю релятивістських електронних згустків у прямокутному діелектричному резонаторі при заповненні каналу дрейфу плазмою з різною щільністю. Виявлено, що при зміні щільності плазми спостерігається лінійне зростання збільшення енергії електронів тестового згустка. Це пов'язане з упорядкуванням структури поздовжнього прискорювального електричного поля, а також зі збільшенням його амплітуди, що відбувається тому, що при періодичній інжекції драйверних згустків на осі резонатора утворюються області з підвищеною концентрацією плазмових електронів.Представлены результаты численного моделирования ускорения тестового сгустка электронов, следующего за последовательностью релятивистских электронных сгустков в прямоугольном диэлектрическом резонаторе при заполнении канала дрейфа плазмой с различной плотностью. Обнаружено, что при изменении плотности плазмы наблюдается линейный рост увеличения энергии электронов тестового сгустка. Это связано с упорядочением структуры продольного ускоряющего электрического поля, а также с увеличением его амплитуды, что происходит потому, что при периодической инжекции драйверных сгустков на оси резонатора образуются области с повышенной концентрацией плазменных электронов

Increase of efficiency of acceleration of the test electron bunch by sequence of electron bunches in the dielectric resonator

Results of numerical simulation of the test bunch acceleration by relativistic electron bunch sequence in the cylindrical dielectric resonator of terahertz frequency range are provided. If the bunch spacing equals to the electromagnetic field wavelength in structure and the test bunch follows the last bunch of sequence, the step energy growth of the accelerated test bunch with increase in number of drive bunches is observed. To approach step dependence to linear and, thus, to avoid cases when the increase in drive bunches number does not lead to energy growth of test bunch, it is necessary to arrange bunches of sequence at distance not smaller resonator lengths. Bunch repetition period has to be multiple of the inverse to resonant frequency of structure.Представленo результати чисельного моделювання прискорення тестового згусткa послідовністю релятивістських електронних згустків у циліндричному діелектричному резонаторі терагерцового частотного діапазону. Якщо відстань між згустками послідовності дорівнює довжині хвилі електромагнітного поля в структурі й тестовий згусток іде за останнім згустком послідовності, спостерігається східчасте зростання енергії прискореного тестового згусткa зі збільшенням кількості згустків драйверної послідовності. Для того щоб наблизити східчасту залежність до лінійної й, таким чином, уникнути випадків, коли збільшення кількості драйверних згустків не призводить до зростання енергії тестового згусткa, слід розташовувати згустки послідовності на відстані не меншій, ніж довжина резонатора. Період повторення згустків повинен бути кратним до зворотної резонансної частоти структури.Представлены результаты численного моделирования ускорения тестового сгустка последовательностью релятивистских электронных сгустков в цилиндрическом диэлектрическом резонаторе терагерцового частотного диапазона. Если расстояние между сгустками последовательности равняется длине волны электромагнитного поля в структуре и тестовый сгусток следует за последним сгустком последовательности, наблюдается ступенчатый рост энергии ускоренного тестового сгустка с увеличением количества сгустков драйверной последовательности. Для того чтобы приблизить ступенчатую зависимость к линейной и, таким образом, избежать случаев, когда увеличение количества драйверных сгустков не приводит к росту энергии тестового сгустка, следует располагать сгустки последовательности на расстоянии не меньшем длины резонатора. Период повторения сгустков должен быть кратным обратной резонансной частоте структуры

PIC simulation of low-frequency modulation of supercritical electron beam at plasma assstancei

The results of simulations of virtual cathode dynamics at the presence of plasma are presented. The theoretical analysis of dynamics of the electron-ion formation is based on particle-in-cell method (PIC). Numerical calculations are carried out for the modernized experimental installation "Agate" with intense relativistic electron beam. It is shown that an output electron beam current has a strong temporal modulation. The modulating frequency at injection of hydrogen ions is about 300 MHz.Представлено результати розробки чисельного 2,5-мірного електромагнітного коду для моделювання динаміки віртуального катода в присутності плазми. Чисельний код заснований на методі великих часток. Виконано тестування чисельного коду на задачі поширювання надкритичного електронного пучка в кінцевому магнітному полі для параметрів експериментальної установки Агат [4, 5]. Показано, що вихідний струм електронного пучка сильно промодульовано у часі. Частота модуляції при інжекції іонів водню складає приблизно 300 Мгц.Представлены результаты разработки численного 2,5-мерного электромагнитного кода для моделирования динамики виртуального катода в присутствии плазмы. Численный код основан на методе крупных частиц. Выполнено тестирование численного кода на задаче распространения сверхкритического электронного пучка в конечном магнитном поле для параметров экспериментальной установки Агат [4, 5]. Показано, что выходной ток электронного пучка сильно промодулирован во времени. Частота модуляции при инжекции ионов водорода составляет примерно 300 МГц

Increase of efficiency of acceleration of the test electron bunch by sequence of electron bunches in the dielectric resonator

Results of numerical simulation of the test bunch acceleration by relativistic electron bunch sequence in the cylindrical dielectric resonator of terahertz frequency range are provided. If the bunch spacing equals to the electromagnetic field wavelength in structure and the test bunch follows the last bunch of sequence, the step energy growth of the accelerated test bunch with increase in number of drive bunches is observed. To approach step dependence to linear and, thus, to avoid cases when the increase in drive bunches number does not lead to energy growth of test bunch, it is necessary to arrange bunches of sequence at distance not smaller resonator lengths. Bunch repetition period has to be multiple of the inverse to resonant frequency of structure.Представленo результати чисельного моделювання прискорення тестового згусткa послідовністю релятивістських електронних згустків у циліндричному діелектричному резонаторі терагерцового частотного діапазону. Якщо відстань між згустками послідовності дорівнює довжині хвилі електромагнітного поля в структурі й тестовий згусток іде за останнім згустком послідовності, спостерігається східчасте зростання енергії прискореного тестового згусткa зі збільшенням кількості згустків драйверної послідовності. Для того щоб наблизити східчасту залежність до лінійної й, таким чином, уникнути випадків, коли збільшення кількості драйверних згустків не призводить до зростання енергії тестового згусткa, слід розташовувати згустки послідовності на відстані не меншій, ніж довжина резонатора. Період повторення згустків повинен бути кратним до зворотної резонансної частоти структури.Представлены результаты численного моделирования ускорения тестового сгустка последовательностью релятивистских электронных сгустков в цилиндрическом диэлектрическом резонаторе терагерцового частотного диапазона. Если расстояние между сгустками последовательности равняется длине волны электромагнитного поля в структуре и тестовый сгусток следует за последним сгустком последовательности, наблюдается ступенчатый рост энергии ускоренного тестового сгустка с увеличением количества сгустков драйверной последовательности. Для того чтобы приблизить ступенчатую зависимость к линейной и, таким образом, избежать случаев, когда увеличение количества драйверных сгустков не приводит к росту энергии тестового сгустка, следует располагать сгустки последовательности на расстоянии не меньшем длины резонатора. Период повторения сгустков должен быть кратным обратной резонансной частоте структуры

Focusing of positron bunch when moving in electron bunch wakefield in the dielectric waveguide filled with plasma

The results of numerical PIC-simulation of focusing accelerated (test) positron and drive electron bunches in the dielectric waveguide filled with radially heterogeneous plasma with the vacuum channel are given in the paper. The wakefield was excited by electron bunch in quartz dielectric tube, inserted into cylindrical metal waveguide. The internal area of dielectric tube has been filled with plasma different transverse density profiles, heterogeneous on radius, with the vacuum channel along waveguide axis. Plasma density for all studied cases was so low that plasma frequency was less, than the frequency of the main dielectric mode. Results of numerical PIC simulation have shown that possibility of simultaneous acceleration and focusing of the test positron bunch are possible in the wakefield. The best acceleration happens in case of plasma absence, however at that there is no focusing of test positron bunch.Наведено результати чисельного PIC-моделювання фокусування тестового позитронного й драйверного електронного згустків у діелектричному хвилеводі, заповненому радіально-неоднорідною плазмою з вакуумним каналом. Кільватерне поле збуджувалося електронним згустком у кварцовій діелектричній трубці, що вставлена в циліндричний металевий хвилевід. Внутрішня область діелектричної трубки була заповнена плазмою з різними поперечними профілями щільності неоднорідними по радіусу з вакуумним каналом уздовж осі хвилеводу. Плазмова щільність для всіх досліджених випадків була настільки низькою, що плазмова частота була меншa, ніж частота основної діелектричної моди. Результати чисельного PIC-моделювання показали можливість одночасного прискорення й фокусування тестового позитронного згусткa в кільватерному полі. Найкраще прискорення відбувається у випадку відсутності плазми, однак при цьому відсутнє й фокусування тестового згусткa позитронів.Приведены результаты численного PIC-моделирования фокусировки тестового позитронного и драйверного электронного сгустков в диэлектрическом волноводе, заполненном радиально-неоднородной плазмой с вакуумным каналом. Кильватерное поле возбуждалось электронным сгустком в кварцевой диэлектрической трубке, вставленной в цилиндрический металлический волновод. Внутренняя область диэлектрической трубки была заполнена плазмой с различными поперечными профилями плотности, неоднородными по радиусу с вакуумным каналом вдоль оси волновода. Плазменная плотность для всех исследованных случаев была настолько низкой, что плазменная частота была меньше, чем частота основной диэлектрической моды. Результаты численного PIC-моделирования показали возможность одновременного ускорения и фокусировки тестового позитронного сгустка в кильватерном поле. Наилучшее ускорение происходит в случае отсутствия плазмы, однако при этом отсутствует фокусировка тестового сгустка позитронов

UHF-generation in a coaxial slowing down structure filled with plasma

Microwave generation by an electron beam in a coaxial transmission line in which the inner and outer conductors are both corrugated is studied theoretically. An annular electron beam propagates in a transport channel filled entirely with plasma. The results of nonlinear modeling of amplification of eigen waves in that structure are represented. The wave saturation amplitudes for various plasma densities are found. The influence of wave damping on the output power of this amplifier is studied. It is shown that the threshold current, at which one there is no amplification in whole wide passband