Nonrelativistic plasma HF-electronics

The main physical principles for the elaboration of plasma and hybrid plasma-filled microwave devices based on the beam-plasma interaction are formulated. The theoretical and experimental results of the investigations of electromagnetic oscillations excitation in beam-plasma systems carried out in National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology” are presented. The electrodynamics of plasma-filled slow wave structures, nonlinear stage of beam-structure interaction, and stochastization mechanism are studied. Some experimental installations elaborated are described and obtained results on power level, efficiency, and spectra аre shown.Сформульовані основні принципи розробки плазмових і гібридних плазмонаповнених СВЧ-приладів, заснованих на пучково-плазмовій взаємодії. Представлені результати теоретичних і експериментальних досліджень збудження електромагнітних коливань в пучково-плазмових системах, які проводились в ННЦ ХФТІ. Досліджені електродинаміка плазмонаповнених уповільнюючих структур, нелінійна стадія взаимодії з ними пучків і механізми стохастизації. Описані деякі експериментальні стенди і приведені отримані на них потужність, ккд і спектри.Сформулированы основные принципы разработки плазменных и гибридных плазмонаполненных СВЧ- приборов, основанных на пучково-плазменном взаимодействии. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований возбуждения электромагнитных колебаний в пучково-плазменных системах, которые проводились в ННЦ ХФТИ. Исследованы электродинамика плазмонаполненных замедляющих структур, нелинейная стадия взаимодействия с ними пучков и механизмы стохастизации. Описаны некоторые экспериментальные стенды и приведены полученные на них мощность, кпд и спектры

Wakefield acceleration based on high power pulsed lasers and electron beams (overview)

The physical principles are considered on intense wakefields excitation in plasma and dielectric by high-power short laser pulse or by a train of electron bunches for high-gradient acceleration of charged particles with purpose to elaborate the concept of future compact accelerators for high-energy physics and high technology applications, and also for creation of contemporary short pulsed radiation sources. The results of investigations on laser’s acceleration in vacuum, electrons acceleration in plasma by high power laser pulse with obtaining beams of small angle and energy dispersion, concepts of plasma and dielectric wakefield accelerators are presented. The perspective research program of the schemes of laser/beam acceleration in plasma and dielectric is considered.Излагаются физические принципы возбуждения интенсивных кильватерных полей в плазме и других средах мощным коротким лазерным импульсом или последовательностью релятивистских электронных сгустков для высоко-градиентного ускорения заряженных частиц с целью разработки концепции будущих компактных ускорителей для физики высоких энергий и ряда высокотехнологичных приложений, а также для создания современных коротко-импульсных источников излучения. Представлены результаты исследований по лазерному ускорению частиц в вакууме, ускорению электронов в плазме мощным лазерным импульсом и получению пучков с малым угловым и энергетическим разбросом, ускорению электронов плазменными и диэлектрическими кильватерными полями, возбуждаемыми релятивистскими электронными сгустками. Излагается перспективная программа исследований схем лазерного и пучкового ускорения в плазме и диэлектрике.Викладені фізичні принципи збудження інтенсивних кільватерних полів у плазмі та інших середовищах потужним коротким лазерним імпульсом або послідовністю релятивістських електронних згустків для високо-градієнтного прискорення заряджених частинок з метою розробки концепції майбутніх компактних прискорювачів для фізики високих енергій і ряду високотехнологічних застосувань, а також для створення сучасних коротко-імпульсних джерел випромінювання. Представлені результати досліджень по лазерному прискоренню часток у вакуумі, прискоренню електронів у плазмі потужним лазерним імпульсом і отриманню пучків з малим кутовим і енергетичним розкидом, прискоренню електронів плазмовими та діелектричними кільватерними полями, збуджуваними релятивістськими електронними згустками. Наводиться перспективна програма досліджень схем лазерного та пучкового прискорення у плазмі і діелектрику

Investigations of plasma wake-fields in NSC KIPT

Along with reviewing of the world wide investigations of wakefields, excited in plasma by a short electron bunch or a train of bunches and by laser beat-wave or a short laser pulse, the theoretical and experimental research activity in National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology” (NSC KIPT) with the aim of plasma wakefields excitation by a train of relativistic electron bunches, produced by resonant lin acs, are represented. The considerable attention is devoted to the wakefields investigation in the experimental department, headed by A.K.Berezin. Plasma wakefields are reviewed as a tool for elaboration of accelerators of new generation, plasma lens for relativistic electron beam focusing, and for development of new principles of HF-generators construction The researching works performed in NSC KIPT and planned in the future are discussed. The state of art and perspectives of theoretical and experimental investigations are considered. The recent achievements in the laboratories of the world are represented

Investigation of plasma lenses in NSC KIPT

The results of carried out at NSC KIPT theoretical and experimental studies of focusing electron and ion beams with using plasma lens are presented. Several mechanisms of beam focusing in plasma are considered: plasma compensation of defocusing space charge field of the beam, focusing by electric and magnetic fields of charged current-carrying plasma, ejected from the plasma gun, and focusing by high-frequency wakefield excited in plasma by a sequence of short relativistic electron bunches.Представлены результаты проводимых в ННЦ ХФТИ теоретических и экспериментальных исследований фокусировки электронных и ионных пучков плазменной линзой. Рассмотрены несколько механизмов фокусировки пучков в плазме: плазменная компенсация дефокусирующих полей пространственного заряда пучка, фокусировка электрическими и магнитными полями заряженной токонесущей плазмы, эжектируемой из плазменной пушки, и фокусировка высокочастотными кильватерными полями, возбуждаемыми в плазме последовательностью коротких релятивистских электронных сгустков.Представлені результати проведених у ННЦ ХФТІ теоретичних і експериментальних досліджень фокусування електронних та іонних пучків плазмовою лінзою. Розглянуто декілька механізмів фокусування пучків у плазмі: плазмова компенсація дефокусуючих полів просторового заряду пучка, фокусування електричними і магнітними полями зарядженої струмонесучої плазми, эжектуємої з плазмової пушки, та фокусування високочастотними кільватерними полями, збудженими в плазмі послідовністю коротких релятивістських електронних згустків

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

Low-frequency processes at interaction of ion flows with relativistic electron beams

Nonlinear process of excitation of LF oscillations is investigated at radial injection of ion stream into the drift chamber in which tubular REB is propagated. The mechanism of LF ion oscillation excitation is investigated.Досліджений нелінійний процес збудження НЧ коливань при радіальній іонній інжекції у камеру дрейфу, в якій розповсюджується трубчатий РЕП. Досліджений механізм збудження НЧ іонних коливань.Исследован нелинейный процесс возбуждения НЧ колебаний при радиальной ионной инжекции в камеру дрейфа, в которой распространяется трубчатый РЭП. Изучен механизм возбуждения НЧ ионных колебаний

The nonlinear theory of interaction of ion streams with virtual cathode of the high-current relativistic electron beam

Nonlinear LF dynamics of interaction of the longitudinal ion stream with the electron virtual cathode formed by high-current relativistic electron beam which is injected in the cylindrical drift chamber is investigated. Both the case of coincided radii of electron and ion beams, and the case when the radius of ion beam exceeds the radius of electron beam are considered.Досліджена нелінійна НЧ динаміка взаємодії повздовжнього іонного потоку з електронним віртуальним катодом, утвореним потужнострумовим релятивістським електронним пучком, який інжектується в циліндричну камеру дрейфу. Розглянуто як випадок співпадаючих радіусів електронного та іонного пучків, так і випадок, коли радіус іонного пучка перевищує радіус електронного пучка.Исследована нелинейная НЧ динамика взаимодействия продольного ионного потока с электронным виртуальным катодом, образованным сильноточным релятивистским электронным пучком, который инжектируется в цилиндрическую камеру дрейфа. Рассмотрен как случай совпадающих радиусов электронного и ионного пучков, так и случай, когда радиус ионного пучка превышает радиус электронного пучка

Spectra of Cherenkov and transition radiation excited by a train of electron bunches in dielectric structures of rectangular cross-section

The peculiarities of radiation spectra of a single relativistic electron bunch or train of bunches in an infinite rectangular dielectric waveguide, in a semi-infinite dielectric waveguide, and in a dielectric waveguide of finite length were theoretically explored. Single-mode and multimode modes were surveyed. In the first case, the excited fields corresponding to Cherenkov and transition radiation were identified. In the second case, the substantial growth of field amplitude was obtained due to interference of many excited transversal modes. Limitation on maximum field amplitude and amount of contributing bunches caused by the fields removal with a group velocity was found. The features of excited spectra caused by a regular sequence of bunches were investigated. Selective excitation of transversal modes and corresponding field waveform were considered for the arbitrary rectangular geometry.Исследовано возбуждение кильватерного поля электронными сгустками и их последовательностью в прямоугольных диэлектрических структурах: бесконечном волноводе, полубесконечном волноводе и волноводе конечной длины.Досліджене збудження кільватерного поля електронними згустками та їх послідовністю в прямокутних діелектричних структурах: необмеженому хвилеводі, напівобмеженому хвилеводі та хвилеводі кінцевої довжини

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

The nonlinear theory of the electromagnetic field excitation in orbitron

The nonlinear theory of electromagnetic waves generation in orbitron is developed. The set of the equations including the equations of field excitation and the equations of 2-dimential motion is constructed and numerically solved. It is shown, that mechanism of electron bunching and energy exchange of electrons with the wave in orbitron and in magnetron has much in common. For the fixed parameters of orbitron from the point of view of generated energy and electronic efficiency there is some optimal value of electron density in the interaction region.В роботi розвинуто нелiнiйну теорiю генерацiї електромагнiтних хвиль в орбiтронi. Побудовано i чисельно розв’язано систему рiвнянь , що включає рiвняння збудження та руху. Показано, що механiзми групування та обмiну енергiєю електрона з хвилею в орбiтронi та магнетронi мають багато спiльного. Для фiксованих параметрiв орбiтрона щiльнiсть електронiв у просторi взаємодiї має оптимальне значення з точки зору енергiї, що генерується, та коефiцiєнта корисної дiї. Достатньо точний опис процесу збудження хвиль в орбiтронi можна отримати за допомогою основної власної гармонiки.В работе развита нелинейная теория генерации электромагнитных волн в орбитроне. Построена и численно решена система уравнений возбуждения и уравнений движения. Показано, что механизмы группировки и обмена энергией электрона с волной в орбитроне и магнетроне имеют много общего. Для фиксированных параметров орбитрона имеется некоторое оптимальное с точки зрения генерируемой энергии и электронного коэффициента полезного действия значение плотности электронов в пространстве взаимодействия. Достаточно точное описание процесса возбуждения волн в орбитроне можно получить, ограничиваясь основной собственной гармоникой