Numerical simulation of excitation of wakefield bubble of plasma electrons by short dense bunch of relativistic electrons

The numerical simulation by 2.5D code LCODE of properties and excitation of wakefield bubble of plasma electrons by short dense bunch of relativistic electrons has been performed in this paper. It has been shown that abrupt back front of bubble becomes less abrupt at decrease of bunch-driver length. Abrupt back front of bubble becomes more abrupt at increase of bunch-driver current. At bubble excitation by short electron bunch with not very large density bubble can be formed in the second wavelength and bubble is not formed in the first wavelength. At larger bunch density the bubble is not formed in the first wavelength on small time and it can be formed on large time. The bunch focusing by bubble becomes more homogeneous with growth of bunch current. Проведено 2.5D кодом LCODE численное моделирование свойств и возбуждения кильватерной полости электронов плазмы плотным коротким сгустком релятивистских электронов. Показано, что увеличение крутизны заднего фронта полости при достижении его опрокидывания уменьшается при уменьшении длины сгустка-драйвера. С увеличением тока сгустка увеличивается крутизна заднего фронта полости. При возбуждении полости коротким электронным сгустком с определенной малой плотностью полость может сформироваться на второй длине кильватерной волны, а на первой она не формируется. При большей плотности сгустка полость на малых временах на первой длине волны не формируется, а на больших временах она может сформироваться. С ростом тока сгустка улучшается однородность его фокусировки полостью. Проведено 2.5D кодом LCODE числове моделювання властивостей та збудження кільватерної порожнини електронів плазми щільним коротким згустком релятивістських електронів. Показано, що збільшення крутості заднього фронту порожнини при досягненні його перекидання зменшується при зменшенні довжини згустка-драйвера. Зі збільшенням струму згустку збільшується крутість заднього фронту порожнини. При збудженні порожнини коротким електронним згустком з обумовленою малою щільністю порожнина може сформуватися на другій довжині кільватерною хвилі, а на першій вона не формується. При більшій щільності згустку порожнина на малому часовому періоді на першій довжині хвилі не формується, а на великому часовому періоді вона може сформуватися. Зростання струму згустку покращує однорідність його фокусування порожниною

Transformation ratio at wakefield acceleration in dielectric resonator

The expressions for the wakefield have been derived and it has been shown that the transformation ratio in the dielectric resonator is significantly higher than the transformation ratio in the case of waveguide at large number of injected trains of identical bunches.Получены выражения для кильватерного поля и показано, что коэффициент трансформации в диэлектрическом резонаторе значительно превышает его в случае волновода при значительном количестве инжектированных профилированных цугов одинаковых сгустков.Отримано вирази для кільватерного поля і показано, що коефіцієнт трансформації в діелектричному резонаторі значно перевищує його у випадку хвилеводу при значній кількості інжектованих профільованих цугів однакових згустків

To the phase dynamics of relativistic electron bunches at plasma wakefield excitation

Theoretical investigation of influence of radial component of plasma wakefield on phase dynamics of the bunches has been performed. The wakefield is excited in plasma by long sequence of the relativistic electron bunches. It has been shown that at certain conditions this radial wakefield leads to more quick shift of the bunches, in comparison with shift by longitudinal wakefield, from decelerating phases into accelerating phases. This shift leads to change of a sign of an energy exchange of electron with a wave and to plasma wakefield amplitude saturation.Проведено теоретичне дослiдження впливу радiальної компоненти поля кiльватерної хвилi на фазову динамiку згусткiв. Кiльватерна хвиля збуджується у плазмi довгою послiдовнiстю релятивiстських електронних згусткiв. Показано, що при визначених умовах ця радiальна компонента приводить до бiльш швидкого ссуву згусткiв, порiвняно з ссувом пiд дiєю повздовжньої компоненти, iз гальмуючих фаз в прискорюючi. Такий ссув призводить до змiни знаку енергообмiну згусткiв з хвилею i до насичення її амплiтуди.Проведено теоретическое исследование влияния радиальной компоненты поля кильватерной волны на фазовую динамику сгустков. Кильватерная волна возбуждается в плазме длинной последовательностью релятивистских электронных сгустков. Показано, что при определенных условиях эта радиальная компонента приводит к более быстрому смещению сгустков, чем под действием продольной компонен- ты, из тормозящих фаз в ускоряющие. Такое смещение приводит к смене знака энергообмена сгустков с волной и к насыщению ее амплитуды

Transformation ratio at wakefield excitation in dielectric resonator by sequence of rectangular electron bunches with linear growth of charge

Transformation ratio has been derived in the case of the wakefield excitation in a dielectric resonator by sequence of rectangular in longitudinal direction (the same charge along the bunch) electron bunches, whose charge is profiled according to linear dependence. Long periodic sequence of electron bunches has been built to increase the number of accelerated electrons. In this sequence, the short trains of rectangular in longitudinal direction profiled bunches − drivers alternate by accelerated “high-current” bunches. This long sequence provides a large transformation ratio and the same for all bunches decelerating wakefield. The coupling of transformation ratio with reduction rate of field after witness and coupling of transformation ratio with witness charge and driver charge in this sequence have been derived.Получен коэффициент трансформации в случае возбуждения кильватерного поля в диэлектрическом резонаторе последовательностью прямоугольных в продольном направлении (одинаковый заряд вдоль сгустка) электронных сгустков, заряд которых профилирован по линейному закону. Для увеличения числа ускоренных электронов построена длинная периодическая последовательность электронных сгустков. В этой последовательности короткие цепочки прямоугольных в продольном направлении профилированных сгустковдрайверов чередуются с ускоряемыми “сильноточными” сгустками. Эта длинная последовательность обеспечивает большой коэффициент трансформации и одинаковое для всех сгустков тормозящее кильватерное поле. Определена связь коэффициента трансформации с коэффициентом уменьшения поля после витнеса и связь коэффициента трансформации с зарядом витнеса и зарядом драйвера в этой последовательности.Отримано коефіцієнт трансформації в разі збудження кільватерного поля в діелектричному резонаторі послідовністю прямокутних у поздовжньому напрямку (однаковий заряд уздовж згустка) електронних згустків, заряд яких профільований за лінійним законом. Для збільшення числа прискорених електронів побудована довга періодична послідовність електронних згустків. У цій нескінченній послідовності короткі ланцюжки прямокутних у поздовжньому напрямку профільованих згустків-драйверів чергуються з прискорюваними "сильнострумовими" згустками. Ця довга послідовність забезпечує великий коефіцієнт трансформації і однакове для усіх згустків кільватерне поле. Визначено зв'язок коефіцієнта трансформації з коефіцієнтом зменшення поля після вітнеса і зв'язок коефіцієнта трансформації із зарядом вітнеса і зарядом драйвера в цій послідовності

Wakefield excitation in plasma by ramped sequence of ramped electron bunches

It has been shown that wakefield in the regions, occupied by bunches-drivers, does not depend on a longitudinal coordinate for certain lengths of bunches, distance between bunches and the charge is ramped by linear law. For increase of number of accelerated electrons long sequence of electron bunches-drivers, charge of which is distributed according to linear law along each bunch, providing large transformation ratio and homogeneous wakefield, which enable to completely decelerate bunches-drivers, has been constructed.Показано, что кильватерное поле в областях локализации сгустков-драйверов не зависит от продольной координаты при определенных длинах сгустков и промежутках между ними, если заряд профилирован по линейному закону. Для увеличения числа ускоренных электронов построена длинная последовательность электронных сгустков-драйверов, заряд у которых распределен по линейному закону вдоль каждого сгустка, обеспечивающая большой коэффициент трансформации и однородное кильватерное поле, которое позволяет полностью затормозить сгустки-драйверы.Показано, що кільватерне поле в межах локалізації згустків-драйверів не залежить від поздовжньої координати при відповідних довжинах згустів та проміжках між ними, якщо заряд профільован відповідно лінійному закону. Для збільшення числа прискорених електронів побудована довга послідовність електронних згустів-драйверів, заряд в яких розподілений по лінійному закону вздовж кожного згустку, яка забезпечує значний коефіцієнт трансформації та однорідне кільватерне поле, яке дозволяє повністю загальмувати згустки-драйвери

Transformation ratio at wakefield excitation in dissipative media by sequence of electron bunches

To increase the transformation ratio, determining maximum energy of accelerated electrons, when wakefield is excited by sequence of electron bunches in plasma, it is profitable to use a certain difference of bunch repetition frequency and plasma frequency. First, field is excited resonantly. Then bunches shift into a small decelerating field. Bunches lose as much energy as accelerated bunches takes up.Для збільшення коефіцієнта трансформації, що визначає максимальну енергію прискорених електронів, при збудженні кільватерного поля послідовністю електронних згустків у плазмі вигідно використовувати певну різницю частоти інжекції згустків і плазмової частоти. Спочатку поле збуджується резонансно. Потім згустки зміщуються в невелике гальмуюче поле. Прискорювані згустки забирають стільки енергії, скільки згустки, що гальмуються, втрачають.Для увеличения коэффициента трансформации, определяющего максимальную энергию ускоренных электронов, при возбуждении кильватерного поля последовательностью электронных сгустков в плазме выгодно использовать определенную разницу частоты инжекции сгустков и плазменной частоты. Сначала поле возбуждается резонансно. Затем сгустки смещаются в небольшое тормозящее поле. Ускоряемые сгустки забирают столько энергии, сколько тормозящиеся сгустки теряют

Focusing by wakefield and plasma focusing of relativistic electrons in dependence on parameters of experiments

The ratio of self-focusing due to the compensation of the space charge of bunches in plasma and of focusing by excited plasma wakefield is studied by numerical simulation. It is shown that this ratio is strongly depends on the parameters of the experiments.Численным моделированием исследуется соотношение самофокусировки за счет компенсации объёмного заряда сгустков в плазме и фокусировки кильватерным полем, возбуждаемым в плазме. Показано, что это соотношение сильно зависит от параметров экспериментов.Числовим моделюванням досліджується співвідношення самофокусування за рахунок компенсації об'ємного заряду згустків у плазмі і фокусування кільватерним полем, збуджуваним у плазмі. Показано, що це співвідношення дуже залежить від параметрів експериментів

Modeling the response of a planar silicon detector when measuring the exposure dose rate in the energy range from 5 keV to 10MeV

The main advantages of using silicon semiconductor detectors in dosimetry in comparison with traditional detectors are considered. The shortcomings are analyzed and possible methods for their elimination are proposed. One of the proposed methods makes it possible to increase the efficiency of detecting gamma quantum in the energy range 0.1…10MeV. The requirements are formulated to optimize the design of detectors operating in a wide range of dose rates and gamma radiation energies by computer simulation. Mathematical calculations and computer simulations determine the dosimeter design, materials and thicknesses γ–converter. The mechanisms of modeling the absorbed dose in air and ambient dose in silicon detectors with a thickness of 300 μm, sizes (5×5)mm² and (1.8×1.8)mm², in the range of incident γ–ray energies from 5keV to 10 MeV are presented.Розглянуто основні переваги застосування кремнієвих напівпровідникових детекторів у задачах дозиметрії в порівнянні з традиційними детекторами. Проаналізовано недоліки та запропоновані можливі методи їх усунення. Один із запропонованих методів дозволяє збільшити ефективність реєстрації гамма-квантів у діапазоні енергій 0,1…10 МэВ. Сформульовано вимоги, необхідні для оптимізації конструкції детекторів, які працюють у широкому діапазоні потужностей доз і енергії гамма–випромінювання, методом комп’ютерного моделювання. Проведені математичні розрахунки і комп’ютерне моделювання визначають конструкцію дозиметра, матеріали і товщину γ–конвертера. Наводяться механізми моделювання поглиненої дози в повітрі і амбієнтної дози в кремнієвих детекторах товщиною від 300 мкм, розмірами (5×5)мм² и (1,8×1,8)мм², у діапазоні енергій падаючого γ–випромінювання від 5 кеВ до 10 МеВ.Рассмотрены основные преимущества применения кремниевых полупроводниковых детекторов в задачах дозиметрии по сравнению с традиционными детекторами. Проанализированы недостатки и предложены возможные методы их устранения. Один из предложенных методов позволяет увеличить эффективность регистрации гамма-квантов в диапазоне энергий 0,1…10 МэВ. Сформулированы требования, необходимые для оптимизации конструкции детекторов, работающих в широком диапазоне мощностей доз и энергии гамма–излучения, методом компьютерного моделирования. Проведенные математические расчеты и компьютерное моделирование определяют конструкцию дозиметра, материалы и толщину γ–конвертера. Приводятся механизмы моделирования поглощенной дозы в воздухе и амбиентной дозы в кремниевых детекторах толщиной от 300 мкм, размерами (5×5)мм² и (1,8×1,8)мм², в диапазоне энергий падающего γ–излучения от 5 кэВ до 10 МэВ

Simulation of plasma wakefield focusing and self-focusing of a short sequence of electron bunches depending on the bunch length, shape and distance between bunches

By using two-dimensional numerical simulation, the ratio between the effects of wakefield focusing and self-focusing during the propagation of a short sequence of electron bunches in plasma has been simulated. Cases of dominant wakefield focusing have been demonstrated. In addition, the collection data is presented on the parameters of the bunch length, shape and distance between bunches correspond to certain ratios of wakefield focusing and self-focusing that can be used in further studies.За допомогою двовимірного чисельного моделювання змодельовано співвідношення між ефектами кільватерного фокусування та самофокусування при поширенні короткої послідовності електронних згустків у плазмі. Продемонстровані випадки домінуючого кільватерного фокусування. Крім того, представлені збірні дані про параметри довжини, форми згустку та відстані між згустками, що відповідають певним співвідношенням фокусування кільватерним полем та самофокусування, які можуть бути використані в подальших дослідженнях

Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches

The plasma wakefield excitation by long sequence of relativistic electron bunches is considered. It has been shown that taking into account ionization of the residual gas partially compensates resonance nonlinear detuning and the wakefield amplitude increases in comparison with the case of constant plasma density. Certain small excess of the plasma density on the resonant value also leads to focusing of more part of bunches, to extend the existence of the resonance and, as a result, to increase of the amplitude of the excited wakefield.Рассматривается возбуждение кильватерного поля в плазме длинной последовательностью релятивистских электронных сгустков. Показано, что учет ионизации остаточного газа частично компенсирует нелинейную расстройку резонанса, и амплитуда кильватерного поля увеличивается по сравнению со случаем постоянной плотности плазмы. Определенное малое превышение плотности плазмы над резонансным значением также приводит к фокусировке большей доли сгустков, к продлению существования резонанса и, как результат, к увеличению амплитуды возбуждаемого кильватерного поля.Розглядається збудження кільватерного поля в плазмі довгою послідовністю релятивістських електронних згустків. Показано, що врахування іонізації залишкового газу частково компенсує нелінійну розстройку резонансу, і амплітуда кільватерного поля збільшується порівняно з випадком постійної густини плазми. Певне мале перевищення густини плазми над резонансним значенням також призводить до фокусування більшої частини згустків, до продовження існування резонансу і, як результат, до збільшення амплітуди збуджуваного кільватерного поля