Development of a nuclear diagnosing proton beam for a collective ion accelerator

A nuclear method for determination of energy and intensity of a proton beam is proposed to use for investigation of collective ion acceleration by space charge waves arisen in an intense relativistic electron beam (REB) at its temporal and spatial modulation. It is proposed to register the proton beam by using nuclear reactions 11В(р,α) 8Ве, 9Вe(р,α) 6Li at the proton beam assistance to produce alpha particles, which should be detected with solid state detectors.Предложено использовать ядерно-физический метод определения энергии и интенсивности протонного пучка при исследовании коллективного ускорении ионов волнами плотности пространственного заряда, возникающих в интенсивном релятивистском электронном пучке при его модуляции во времени и в пространстве. Протонный пучок предполагается регистрировать с использованием ядерных реакций 11В(р,α) 8Ве, 9Вe(р,α) 6Li при наличии протонного пучка для получения альфа-частиц, которые должны фиксироваться твердотельными детекторами.Запропоновано використати ядерно-фізичний метод визначення енергії та інтенсивності протонного пучка при дослідженні колективного прискорення іонів хвилями густини просторового заряду, які виникають в інтенсивному релятивістському електронному пучку при його модуляції в часі та у просторі. Протонний пучок припускається реєструвати з використанням ядерних реакцій 11В(р,α) 8Ве, 9Вe(р,α) 6Li при наявності протонного пучка для отримання альфа-часток, які повинні фіксуватися твердотільними детекторами

Measurement of distribution function of REB, used in collective ion accelerator

The parameters of the intense relativistic electron beam (REB), being a base element of the ion accelerator concept, were measured at the exit of the first section of a collective ion accelerator. The experimental studies of a REB current passing through metal foils of a different thickness were carried out. Using the obtained dependence of beam current attenuation on the foil thickness and the calibration curves (tables) of the dependence of penetration lengths on the particle energy, the energy distribution function of REB electrons was determined and it is represented as a histogram. The kind of plasma resulting in a short circuit of the magnetically-insulated diode was determined.В першій секції двохсекційного колективного прискорювача іонів проведені вимірювання параметрів сильнострумового релятивістського електронного пучка (РЕП), який є головним елементом концепції прискорення іонів. Проведені експериментальні дослідження проходження струму РЕП через металевіфольги різної товщини. По отриманій залежності ослаблення струму пучка від товщини фольги і каліброваним кривим (таблицям) залежності довжини гальмування від енергії часток, виявлена функція розподілу електронів РЕП по енергії в вигляді гістограми. Вияснений вид плазми, яка приводить до закорачення магнітно-ізольованого діода.В первой секции двухсекционного коллективного ускорителя ионов проведены измерения параметров сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП), являющегося главным элементом концепции ускорителя ионов. Проведены экспериментальные исследования прохождения тока РЭП через металлические фольги различной толщины. По полученной зависимости ослабления тока пучка от толщины фольги и калибровочных кривых (таблиц) зависимости длин торможения от энергии частиц, определена функция распределения электронов РЭП по энергии в виде гистограммы. Определен вид плазмы, приводящей к закорачиванию магнитно-изолированного диода

Ions acceleration in a temporary and spatially modulated intense REB

The conception, proposed by Lymar, Khizhnyak, and Belikov, to use collective electromagnetic fields of space charge excited in high-current relativistic electron beam (REB), modulated in time and space, have been experimentally investigated. At plasma assistance the low frequency oscillations of 46 MHz are excited in the overcritical REB. The flow of C⁺ ions accelerated by the space charge field of virtual cathode up to 500 keV with density of 6×10⁶ cm⁻³ was formed. The fluence of ions on the collector during the ion pulse has the value 5×10⁷ particles/cm². The periodic magnetic field with 12% modulation was created by a sequence of aluminum and iron rings. After acceleration in the section with temporary and spatially modulated REB ions achieved energy 1.5 MeV and ion current 1 A.Експериментально досліджена запропонована Хижняком і інш. концепція використання колективних електромагнітних полів просторового заряду в сильнострумовому РЕП, модульованому в часі та просторі.Наявність віртуального катоду та плазмового джерела дозволили промодулювати РЕП на частоті 46 МГц і прискорити іони C⁺ до 500 кеВ. В другій секції, що складається із 9 змінних періодів магнітного поля, ці іони досягали енергії 1.5 МеВ при струмі 1 А.Экспериментально исследована предложенная Хижняком и др. концепция использования коллективных электромагнитных полей пространственного заряда в сильноточном РЭП, модулированном во времени и пространстве. Наличие виртуального катода и плазменного источника позволили промодулировать РЭП на частоте 46 МГц и ускорить ионы C⁺ до 500 кэВ. Во второй секции, состоящей из 9 переменных периодов магнитного поля, эти ионы ускорялись до энергии 1.5 МэВ при токе 1 А

Formation of periodical magnetic fields by sequence of rings with different electric and magnetic properties

The electrodynamics analysis of topography of magnetic fields originating in spatially periodic system is carried out. The system under investigation is the solenoid inside which rings made from materials differ in electric and magnetic properties are periodically placed. The system of equations connecting amplitudes of spatial harmonics of the field is obtained. This system is parsed numerically. Requirements are determined when in the spatial structure of a magnetic field the dominating role is played by the main harmonic. The amplitudes of longitudinal and transverse components of the modulated magnetic field as a function of the ring sizes, current frequency, magnetic and electric properties of rings materials are investigated. The amplitudes of the fields obtained in the full electrodynamics consideration are compared with the amplitudes of a periodic magnetic field, obtained in an impedance approximation.У роботі проведено електродинамічний розрахунок топографії постійних магнітних полів, що виникають у просторово-періодичній системі, яка являє собою соленоїд, періодично навантажений кільцями з різними електричними та магнітними властивостями.Проведен электродинамический расчет топографии постоянных магнитных полей, создаваемых в пространственно-периодической системе, представляющей собой соленоид, внутри которого периодически размещаются кольца из материалов с различными электрическими и магнитными свойствами

Experimental investigations of interaction of supercritical electron beams with plasma

The first section of the collective ions acceleration based on simultaneous temporal and spatial modulation of relativistic electron beam (REB) was studied experimentally. The virtual cathode was originated in the electrodynamic structure consisting of two tubes with different diameters (jump of electrodynamics) by REB, produced in magnetically insulated diode. At plasma assistance the low-frequency oscillations of REB current and the low-frequency microwave radiation were obtained due to the virtual cathode periodical relaxation in the processes of charge compensation by ionized residual gas

Low-frequency REB modulation and acceleration of ions in a supercritical mode during plasma injection

Low-frequency modulation of a high-current relativistic electron beam (REB) and acceleration of ions in the first section of a collective ion accelerator was studied experimentally. Low frequency modulation of supercritical high-REB was obtained due to periodic compensation of a virtual cathode charge by plasma ions. An ion flow was produced by an electric field of virtual cathode when plasma assists. Plasma was formed by the four Bostick plasma guns placed at equal distances along the periphery of the drift chamber. The low-frequency modulation with depth 10 % at frequency 46 MHz was obtained. The ion energy was measured using the magnetic analyzer. The ion energy that probably was obtained in the potential well of the virtual cathode exceeded the REB energy.Експериментально досліджена низькочастотна модуляція сильнострумового релятивістського електронного пучка (РЕП) та прискорення іонів в першій секції двохсекційного колективного прискорювача іонів. Низькочастотна модуляція надкритичного сильнострумового РЕП здійснена періодичною компенсацією віртуального катода іонами плазми. Іонний потік сформований електричним полем віртуального катода. Плазма створена чотирма плазмовими пушками бостіковського типу, розміщеними рівномірно по периферії камери дрейфу в області віртуального катода. Модуляція РЕП з глибиною 10% реалізована на частоті 46 МГц. Енергія іонів виміряна за допомогою магнітного аналізатора. Енергія іонів, яка ймовірно отримана в потенційній ямі віртуального катоду, перевищила енергію РЕП.Экспериментально исследована низкочастотная модуляция сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) и ускорение ионов в первой секции двухсекционного коллективного ускорителя ионов. Низкочастотная модуляция сверхкритического сильноточного РЭП осуществлена периодической компенсацией виртуального катода ионами плазмы. Ионный поток сформирован электрическим полем виртуального катода. Плазма образована четырьмя плазменными пушками бостиковского типа, расположенными равномерно по периферии камеры дрейфа в области виртуального катода. Модуляция РЭП с глубиной 10% осуществлена на частоте 46 МГц. Энергия ионов измерена с помощью магнитного анализатора. Энергия ионов, которая возможно получена в потенциальной яме виртуального катода, превысила энергию РЭП

Particle Acceleration in Pulsar Wind Nebulae: PIC modelling

We discuss the role of particle-in-cell (PIC) simulations in unveiling the origin of the emitting particles in PWNe. After describing the basics of the PIC technique, we summarize its implications for the quiescent and the flaring emission of the Crab Nebula, as a prototype of PWNe. A consensus seems to be emerging that, in addition to the standard scenario of particle acceleration via the Fermi process at the termination shock of the pulsar wind, magnetic reconnection in the wind, at the termination shock and in the Nebula plays a major role in powering the multi-wavelength signatures of PWNe.Comment: 32 pages, 16 figures, to appear in the book "Modelling Nebulae" edited by D. Torres for Springer, based on the invited contributions to the workshop held in Sant Cugat (Barcelona), June 14-17, 201

Magnetic Reconnection in Extreme Astrophysical Environments

Magnetic reconnection is a basic plasma process of dramatic rearrangement of magnetic topology, often leading to a violent release of magnetic energy. It is important in magnetic fusion and in space and solar physics --- areas that have so far provided the context for most of reconnection research. Importantly, these environments consist just of electrons and ions and the dissipated energy always stays with the plasma. In contrast, in this paper I introduce a new direction of research, motivated by several important problems in high-energy astrophysics --- reconnection in high energy density (HED) radiative plasmas, where radiation pressure and radiative cooling become dominant factors in the pressure and energy balance. I identify the key processes distinguishing HED reconnection: special-relativistic effects; radiative effects (radiative cooling, radiation pressure, and Compton resistivity); and, at the most extreme end, QED effects, including pair creation. I then discuss the main astrophysical applications --- situations with magnetar-strength fields (exceeding the quantum critical field of about 4 x 10^13 G): giant SGR flares and magnetically-powered central engines and jets of GRBs. Here, magnetic energy density is so high that its dissipation heats the plasma to MeV temperatures. Electron-positron pairs are then copiously produced, making the reconnection layer highly collisional and dressing it in a thick pair coat that traps radiation. The pressure is dominated by radiation and pairs. Yet, radiation diffusion across the layer may be faster than the global Alfv\'en transit time; then, radiative cooling governs the thermodynamics and reconnection becomes a radiative transfer problem, greatly affected by the ultra-strong magnetic field. This overall picture is very different from our traditional picture of reconnection and thus represents a new frontier in reconnection research.Comment: Accepted to Space Science Reviews (special issue on magnetic reconnection). Article is based on an invited review talk at the Yosemite-2010 Workshop on Magnetic Reconnection (Yosemite NP, CA, USA; February 8-12, 2010). 30 pages, no figure

Status of the Novosibirsk terahertz FEL

The first stage of Novosibirsk high-power free-electron laser (FEL) was commissioned in 2003. It is based on a normal conducting CW energy recovery linac. Now the FEL provides electromagnetic radiation in the wavelength range of 120…180 micrometers. An average power is 400 W. The minimum measured line width is 0.3%, which is close to the Fourier-transform limit. A user-beamline assembly is in progress, parts of the full-scale machine are manufactured. The latter will operate in the near IR region and provide higher average powerВ 2003 году в Новосибирске заработала первая очередь мощного лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Машина построена на базе линака-рекуператора непрерывного действия. В настоящее время ЛСЭ работает в диапазоне длин волн 120…180 мкм, его средняя мощность достигает 400 Вт. Минимальная измеренная ши- рина полосы излучения составляет 0.3%, что близко к теоретическому минимуму. В настоящее время монтируются каналы разводки излучения для пользователей, части полномасштабной машины запущены в производство. Полномасштабная машина будет работать в ближнем ИК-диапазоне и обладать большей мощностью.В 2003 році в Новосибірську заробила перша черга потужного лазера на вільних електронах (ЛВЕ). Машина побудована на базі лінака-рекуператора безперервної дії. Зараз ЛВЕ працює в діапазоні довжин хвиль 120...180 мкм, його середня потужність досягає 400 Вт. Мінімальна виміряна ширина смуги випромінювання становить 0.3%, що близько до теоретичного мінімуму. Зараз монтуються канали розведення випромінювання для користувачів, частини повномасштабної машини запущені у виробництво. Повномасштабна машина буде працювати в ближньому ІЧ-діапазоні і мати більшу потужність

First tidal disruption events discovered by SRG/eROSITA: X-ray/optical properties and X-ray luminosity function at z < 0.6

High Energy Astrophysic