Theoretical studies of the resonator concept of dielectric wakewield accelerator

Theoretical studies and numerical simulation of wakefield excitation in planar dielectric resonator by regular sequence of relativistic electron bunches are carried out. It is shown, that in resonator case at conservation of field peaking, i.e. maintenance of multimode condition, the number of bunches, participating in wakefield summing, is increased. As a result the amplitude of the field, used for charged particle acceleration, essentially increases in comparison with a section of the dielectric waveguide of the same length. Thus, legitimacy of the resonator concept for wakefield method of charged particle acceleration is proved. Numerical calculations are carried out for planned experiment on accelerator "Almaz-2" on wakefield excitation in the rectangular dielectric resonator by a sequence of bunches with charge 0.32 nC and energy 4 MeV each.Проведено теоретическое исследование и численное моделирование возбуждения кильватерного поля в плоском диэлектрическом резонаторе регулярной последовательностью сгустков релятивистских электронов. Показано, что в резонаторном случае при сохранении пикирования поля, т.е. многомодового режима, увеличивается количество сгустков, участвующих в суммировании кильватерного поля. В результате амплитуда поля, используемая для ускорения заряженных частиц, существенно возрастает по сравнению с отрезком диэлектрического волновода такой же длины. Таким образом, в работе доказана правомерность резонаторной концепции для кильватерного метода ускорения заряженных частиц. Численные расчеты выполнены для планируемого эксперимента на ускорителе “Алмаз-2” по возбуждению кильватерного поля в прямоугольном диэлектрическом резонаторе последовательностью сгустков с зарядом 0.32 нК и энергией 4 МэВ каждый.Проведено теоретичне дослідження та чисельне моделювання збудження кільватерного поля у плоскому діелектричному резонаторі регулярною послідовністю згустків релятивістських електронів. Показано, що у резонаторному випадку при збереженні пікірування поля, тобто багатомодового режиму, збільшується кількість згустків, що приймають участь у підсумовуванні кільватерного поля. В результаті амплітуда поля, що використовується для прискорення заряджених часток, істотно зростає у порівнянні з відрізком діелектричного хвилеводу такої самої довжини. Таким чином, у роботі доведена правомірність резонаторної концепції для кільватерного методу прискорення заряджених часток. Чисельні розрахунки виконані для запланованого експерименту на прискорювачі “Алмаз-2” по збудженню кільватерного поля у прямокутному діелектричному резонаторі послідовністю згустків з зарядом 0.32 нК та енергією 4 МеВ кожний

Parameters of two-channel five-zone dielectric structure for experiments on wakefield acceleration in KIPT

The computations results of the parameters of a two-channel five-zone rectangular dielectric structure for the experimental test of basic principles of using such structures for wakefield acceleration are presented. The structure consists of two adjacent vacuum channels (one for the drive bunches, the other for the accelerated bunch) bordered by dielectric slabs. The entire structure is placed in a rectangular waveguide. In the work is also investigated the tolerances for parameters of the structure that affect the value of the transformer ratio and the accelerating gradient.Представлено параметри двоканальної п’ятизонної прямокутної діелектричної структури з метою експериментальної перевірки основних принципів використання таких структур для кільватерного прискорення. П’ятизонна двоканальна діелектрична структура складається із двох сусідніх вакуумних каналів (один для ведучого згустка, інший для згустків, що прискорюються), оточених діелектричними пластинами. Уся структура поміщена в прямокутний хвилевід. Також досліджено допустимі відхилення параметрів структури, які впливають на величину коефіцієнта трансформації та прискорюючого градієнта.Представлены параметры двухканальной пятизонной прямоугольной диэлектрической структуры с целью экспериментальной проверки основных принципов использования таких структур для кильватерного ускорения. Пятизонная двухканальная диэлектрическая структура состоит из двух соседних вакуумных каналов (один для ведущего сгусткa, другой для ускоряемых сгустков), окруженных диэлектрическими пластинами. Вся структура помещена в прямоугольный волновод. Tакже исследуются допуски на параметры структуры, которые влияют на величину коэффициента трансформации и ускоряющего градиента

Simulation of wakefields excited by a train of electron bunches in rectangular dielectric waveguide

Wake field excitation by a sequence of electron bunches in rectangular dielectric waveguide of finite length is investigated for acceleration with high gradient electric field. Characteristics of wake field for parameters of planned in NSC KIPT experiments are determined.Досліджені процеси збудження кільватерного поля електронними згустками та їх послідовністю в прямокутних діелектричних хвилеводах скінченої довжини: напів обмеженого хвилеводу та резонаторі. Визначені характеристики кільватерного поля для параметрів запланованого в ННЦ ХФТІ експериментуИсследовано возбуждение кильватерного поля электронными сгустками и их последовательностью в прямоугольных диэлектрических волноводах конечной длины: полу бесконечном волноводе и резонаторе. Определены характеристики кильватерного поля для параметров планируемого в ННЦ ХФТИ эксперимента

Excitation of the accelerating field by high-current electron beam in a periodic magnetic field

The excitation of a slow electromagnetic wave by intense relativistic electron beam (IREB) in the cylindrical drift chamber is theoretically investigated. The beam current is modulated in time. Because of propagation of the electron beam in the periodic magnetic field its surface is modulated in the longitudinal direction. Expressions for the amplitude of the accelerating field are obtained, its dependences on parameters of an electron beam (depth of spatial and of temporary modulation, period of modulation) is investigated. The radial structure of longitudinal components of an electromagnetic field of a slow wave and a possibility of acceleration of ions in the field of the excited wave is analysed.Теоретично досліджується збудження повільної електромагнітної хвилі в циліндричному хвилеводі потужнострумовим релятивістським електронним пучком при його транспортуванні в зовнішньому періодичному магнітному полі. Отримано вираз для амплітуди подовжнього електричного поля. Досліджена її залежність від параметрів електронного пучка (глибини просторової і часової модуляції, періоду просторової модуляції). Аналізується радіальна структура електромагнітного поля повільної хвилі і можливість прискорення іонів у полі збудженої повільної хвилі.Теоретически исследуется возбуждение медленной электромагнитной волны в цилиндрическом волноводе сильноточным релятивистским электронным пучком при его транспортировке во внешнем периодическом магнитном поле. Получены выражения для амплитуды продольного электрического поля, исследована ее зависимость от параметров электронного пучка (глубины пространственной и временной модуляции, периода пространственной модуляции). Анализируется радиальная структура электромагнитного поля медленой волны и возможность ускорения ионов в поле возбужденной медленной волны

Coherent summation of wake fields excited by an electron bunch sequence in a planar multimode dielectric resonator

The possibility of realization of resonator concept of dielectric wake field accelerator is studied. The requirements of implementation of this concept are obtained. Numerical simulations of wake field excitation in planar dielectric resonator by bunch sequence testify the obtained requirements are true.Исследована возможность реализации концепции ускорителя на кильватерных полях в диэлектрическом резонаторе. Аналитически определены условия когерентного сложения кильватерных полей последовательности электронных сгустков. Проведенное численное моделирование подтверждает условия когерентности.Досліджено можливість реалізації концепції прискорювача на кільватерних полях у діелектричному резонаторі. Аналітично визначені умови когерентного додавання кільватерних полів послідовності електронних згустків. Проведене чисельне моделювання підтверджує умови когерентності

Excitation of plasma by electric pulses in neon medium

We studied characteristics of the neon plasma source excited in the atmosphere under the following conditions: gas pressure is about 2 Torr, rectangular pulses have an amplitude from 200 to 800 V, pulse duration is from 0.2 to 10 µs, repetition rate is from 0.2 up to 1 kHz. There is a mode with a stable and unstable mode of existence of the plasma when the voltage on the electrodes of the plasma source varies from 800 to 350 V and from 350 to 250 V before the extinction of the plasma. The pulse from the PMT output in a steady state plasma has a decay of about 100 µs, the duration of which does not depend on the magnitude of the voltage, frequency and pulse duration. With a decrease in the supply voltage U, the pulse front duration with a photomultiplier is increased from 74 to 450 ns. It is shown that a large neon plasma relaxation time of 100 µs compared with a beam pulse duration of 1…2 µs allows only one time to change the phase of the accelerating field.Проведено дослідження характеристик неонового джерела плазми, порушуваного прямокутними імпульсами з амплітудою напруги від 200 до 800 У, тривалістю від 0,2 до 10 мкс і частотою від 0,2 до 1 кГц при тиску газу в камері джерела плазми порядку 2 Торр. Дослідження показали, що спостерігаються режими зі стійким і нестійким станами плазми при зміні напруги на електродах джерела плазми від 800 до 350 В и від 350 до 250 В до загасання плазми. Імпульс із виходу ФЕП в стійкому стані плазми має спад близько 100 мкс, тривалість якого не залежить від величини напруги, частоти і тривалості імпульсу. При зменшенні живільної напруги тривалість фронту імпульсу з ФЕП збільшується з 74 до 450 нс. Показано, що великий час релаксації неонової плазми у порівнянні із тривалістю імпульсу (1…2) мкс проходження електронного пучка дозволяє тільки один раз змінити фазу прискорювального поля.Проведены исследования характеристик неонового источника плазмы, возбуждаемого прямоугольными импульсами с амплитудой напряжения от 200 до 800 В, длительностью от 0,2 до 10 мкс и частотой от 0,2 до 1 кГц при давлении газа в камере источника плазмы порядка 2 Торр. Исследования показали, что наблюдаются режимы с устойчивым и неустойчивым состоянием плазмы при изменении напряжения на электродах источника плазмы от 800 до 350 В и от 350 до 250 В до погасания плазмы. Импульс с выхода ФЭУ в устойчивом состоянии плазмы имеет спад около 100 мкс, длительность которого не зависит от величины напряжения, частоты и длительности импульса. При уменьшении питающего напряжения длительность фронта импульса с ФЭУ увеличивается с 74 до 450 нс. Показано, что большое время релаксации неоновой плазмы 100 мкс по сравнению с длительностью импульса (1…2) мкс следования электронного пучка позволяет только один раз менять фазу ускоряющего поля

General solution of the excitation problem of a symmetric flat dielectric structure by plane electromagnetic waves

General solution of the excitation problem of a symmetric flat dielectric structure by two laser pulses is obtained. The symmetrical geometry consists of two dielectric prisms separated by a vacuum channel for electron acceleration (so called “sandwich”). Each prism can be illuminated with a separate laser pulse; electric filed amplitudes of pulses can differ. The general solution consist from a symmetric distribution and asymmetric one of a longitudinal electric field across the vacuum channel. In the case of a general solution, the effect of the asymmetric part on the total amplitude of the accelerating and defocusing fields is also analyzed. We determined also conditions when a symmetric or asymmetric solution only is realized. For these cases, the obtained analytical solutions are compared with results of full time-domain numerical simulations of bilateral excitation of dielectric prisms with laser pulses.Отримано загальне рішення задачі збудження симетричної плоскої діелектричної структури двома лазерними імпульсами. Симетрична геометрія складається з двох діелектричних призм, розділених вакуумним каналом для прискорення електронів (так званий сендвіч). Кожну призму можна опромінювати окремим лазерним імпульсом, амплітуди електричного поля імпульсів можуть відрізнятися. Загальне рішення складається з симетричного та асиметричного розподілів поздовжнього електричного поля впоперек вакуумного каналу. У разі загального рішення аналізується також вплив асиметричної частини на сумарну амплітуду полів, що прискорює і дефокусує. Визначено також умови, коли реалізується лише симетричне чи асиметричне рішення. Для цих випадків одержані аналітичні рішення порівнюються з результатами повного тимчасового чисельного моделювання білатерального збудження

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

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

Electrodynamics of plasma-filled corrugated coaxial structure

The interaction of electronic beam with plasma-filled coaxial waveguide with corrugated external radius is investigated. The dispersion equation, which describes interaction of beam with such slowing down structure, is obtained. The properties of eigen waves of structure depending on plasma density are investigated numerically. It is shown that for non-relativistic electronic beams maximal growth rate of instability for plasma-filled slowing down structure considerably exceeds the one for vacuum structure. The non-linear estimations of waves excitation efficiency in such system are carried out