High-current relativistic electron beam focusing in plasma

The analysis of the envelope equation for high-current relativistic electron beam propagation in plasma in an external uniform magnetic field is presented. The envelope equation is obtained in a Hamiltonian form with an effective potential, which depends from electron beam and plasma parameters, and external magnetic field. Hamiltonian aproach allows fully analyze the behavior of the beam envelope as a function of the beam current, beam energy, plasma density and conductivity, as well as on the external magnetic field and the initial beam angular momentum.Представлено аналіз рівняння обвідної для потужнострумового релятивистского електронного пучка в плазмі в зовнішньому однорідному магнітному полі. Рівняння обвідної отримано в гамільтоновій формі з ефективним потенціалом, який залежить від параметрів електронного пучка і плазми, а також від зовнішнього магнітного поля. Гамільтонів підхід дозволяє повністю проаналізувати поведінку обвідного пучка в залежності від його струму, енергії, густини та провідності плазми, а також від зовнішнього магнітного поля і початкового кутового моменту пучка.Представлен анализ уравнения огибающей для сильноточного релятивистского электронного пучка в плазме во внешнем однородном магнитном поле. Уравнение огибающей получено в гамильтоновой форме с эффективным потенциалом, который зависит от параметров электронного пучка и плазмы, а также от внешнего магнитного поля. Гамильтонов подход позволяет полностью проанализировать поведение огибающей пучка в зависимости от его тока и энергии, плотности и проводимости плазмы, а также от внешнего магнитного поля и начального углового момента пучка

Beam instability stabilization in hybrid plasma waveguide

The authors submit the results of investigations of the beam-plasma instability derangement in the hybrid plasma waveguide. The latter, placed into the longitudinal magnetic field, consists of a chain of cavities connected inductively and its passage channel is filled with plasma. In this plasma, the excitation of low-frequency oscillations that belong to the low-hybrid resonance range is examined. The investigations are carried out in the beam-plasma oscillator. The plasma is generated and maintained due to the beam-plasma discharge.Приведені результати дослідження зриву пучково-плазмової нестійкості у гібридному плазмовому хвилеводі, розміщеному в поздовжньому магнітному полі, що складається з ланцюга індуктивно зв’язаних резонаторів, пролітний канал якого заповнений плазмою, при збудженні низькочастотних коливань в його плазмі із області нижнєгібридного резонансу зовнішнім генератором. Гібридний плазмовий хвилевід використовується в пучково-плазмовому генераторі. Плазма створюється і підтримується за рахунок пучково-плазмового розряду.Приведены результаты исследования срыва пучково-плазменной неустойчивости в гибридном плазменном волноводе, помещенном в продольное магнитное поле, состоящем из цепочки индуктивно связанных резонаторов, пролетный канал которой заполнен плазмой, при возбуждении низкочастотных колебаний в его плазме из области нижнегибридного резонанса внешним генератором. Гибридный плазменный волновод используется в пучково-плазменном генераторе. Плазма образовывается и поддерживается за счет пучково- плазменного разряда.The authors are grateful to A.P. Tolstolugsky for the calculation of the spiral aerial, loaded with plasma and to L.D. Lobzov for the oscillator adjustment. S.S. Pushkarev’s help in the elaboration of the technique of registering the probing pulses in plasma with probes is gratefully acknowledged. We also wish to thank V.A. Buts for the discussion of the results and valuable suggestions in the course of the work fulfillment

Block of an electron gun combined with a getter - ion pump designed for high - power beam - plasma microwave devices

The paper presents the design description and the results of tests of the block combining an electron gun and a getter - ion pump, providing plasma - forming gas evacuation from the slow - wave structures. The block is designed for use in high-power beam - plasma devices. The construction under consideration minimizes the overall block dimensions. The block, in the assembly of the generator with a hybrid slow-wave structure (a sequence of inductively coupled resonators and a plasma - filled transport channel) provides the generation of stochastic oscillations in the tenth-centimeter wavelength range in the frequency band of 1 GHz, 40 kW microwave power in the continuous mode of operation and 100 kW in the pulse of 4 ms duration.Описана конструкція блоку поєднучого електронну гармату і гетеро - іонний насос для потужних пучково – плазмових приладів, забезпечующого відкачку плазмостворуючого газу із уповільнюючих структур. Така конструкція мінімізує малогабаритні параметри блоку. Блок, що входить до складу генератора з гібридною уповільнюючою структурою - ланцюгом індуктивно зв’язаних резонаторів, заповнених плазмою, забезпечує генерацію стохастичних коливань в десятисантіметровому діапазоні довжини хвиль в смузі коливань 1 ГГц в постійному режимі роботи 40 і 100 кВт в імпульсі тривалістю 4 мс.Описана конструкция блока, объединяющего электрону пушку, и геттерно - ионный насос, для мощных пучково – плазменных приборов, обеспечивающий откачку плазмообразующего газа из замедляющих структур. Такая конструкция минимизирует весогабаритные параметры блока. Блок, входящий в состав генератора с гибридной замедляющей структурой - цепочкой индуктивно связанных резонаторов, заполненной плазмой, обеспечивает генерацию стохастических колебаний в десятисантиметровом диапазоне длин волн в полосе частот 1 ГГц, при непрерывном режиме работы 40 и 100 кВт в импульсе длительностью 4 м

Exitation of highnumber harmonics by non-relativistic oscillators

The results of experimental researches of a possibility of an effective of high numbers harmonics radiation by nonrelativistic oscillators are represented. The good qualitative consent of experimental and theoretical results are obtained. In experiment the millionth harmonic was excited. It is shown, that the investigated mechanism can be used for excitation optical and ultra-violet radiation

Chaotic decayes in resonators filled with rare plasma

The results of processes theoretical and experimental investigation of the broadband chaotic HF oscillations in the electrodynamics structure with rare plasma are presented. They are based on the nonlinear decay of HF wave into new HF and LF ones. The natural waves which may take part in this interaction are defined. There is a good agreement between theoretical and experimental results.Викладені результати теоретичного та експериментального дослідження процесів формування широкосмугових НВЧ-коливань в електродинамічній структурі з рідкою плазмою. Вони ґрунтуються на нелінійному розпаді ВЧ-хвилі на нову ВЧ- та НЧ-хвилі. Визначені власні моди, що можуть приймати участь в такій взаємодії. Між результатами теоретичних та експериментальних досліджень існує добра якісна відповідність.Изложены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов формирования широкополосных СВЧ-колебаний в электродинамической структуре с разреженной плазмой. Они основаны на нелинейном распаде ВЧ-волны на новую ВЧ- и НЧ-волны. Определены собственные моды, которые могут принимать участие в таком взаимодействии. Между результатами теоретических и экспериментальных исследований имеется хорошее качественное соответствие

Investigation of chaotic decay in the resonator filled with plasma

Some investigations of the results of chaotic waves decay in circular cylindrical resonator partially filled with magnetoactive plasma are presented. If external magnetic field is uniform there is a good qualitative agreement of the experimental and theoretical results. In the nonhomogeneous magnetic field after termination of external electromagnetic pulse the repeated bursts are observed in the resonator. The possible mechanisms of appearing of these additional bursts are discussed in this paper.Представлено деякі результати дослідження процесу хаотичного розпаду хвиль в круглому циліндричному резонаторі, що частково заповнений магнітоактивною плазмою. Якщо зовнішнє магнітне поле є однорідним, існує якісне узгодження теоретичних та експериментальних результатів. В неоднорідному магнітному полі, після закінчення зовнішнього електромагнітного імпульсу, в резонаторі спостерігаються повторні імпульси електромагнітних коливань. Обговорюються можливі механізми появи цих додаткових імпульсів.Представлены некоторые результаты исследований процесса хаотического распада волн в круглом цилиндрическом резонаторе, частично заполненном магнитоактивной плазмой. Если внешнее магнитное поле однородно, имеется хорошее качественное согласие теоретических и экспериментальных результатов. В неоднородном магнитном поле, после окончания внешнего электромагнитного импульса, в резонаторе наблюдаются повторные всплески электромагнитных колебаний. Обсуждаются возможные механизмы появления этих дополнительных всплесков

Measurement of dispersion of low-frequency ion oscillations in hybrid plasma waveguides

A new technique of determining dispersion characteristics of the ion oscillations, excited in the hybrid plasma waveguide is elaborated (this device is a slow-wave structure, the passage channel of which is filled with plasma). This method is based on measuring changes in the shape of a single probing pulse propagating in the system. The method is tested in the process of determining the dispersion of low-frequency ion waves under the condition of the excitation of high-frequency powerful electron oscillations by an electron beam in the waveguide. The experimental data are compared with the analytical calculations.Розроблена методика визначення дисперсійних характеристик хвиль, порушуваних в гібридному плазмовому хвилеводі (уповільнююча структура, пролітний канал якої заповнений плазмою), заснована на вимірюванні зміни форми одиночного зондуючого імпульсу, що розповсюджується в системі. Випробування методу проведено при визначенні дисперсії низькочастотних іонних хвиль в умовах збудження в хвилеводі електронним пучком високочастотних електронних коливань великого рівня потужності. Проведено порівняння результатів експерименту з теоретичними розрахунками.Разработана методика определения дисперсионных характеристик волн, возбуждаемых в гибридном плазменном волноводе (замедляющая структура, пролётный канал которой заполнен плазмой), основанная на измерении изменения формы распространяющегося в системе одиночного зондирующего импульса. Испытание метода проведено при определении дисперсии низкочастотных ионных волн в условиях возбуждения в волноводе электронным пучком высокочастотных электронных колебаний большого уровня мощности. Проведено сравнение результатов эксперимента с теоретическими расчетами

The dynamics of decay processes in rare plasma

The results of the experimental and theoretical investigations of chaotic decay process of HF wave on two new − HF and LF wave in the cylindrical resonator filled with rare plasma are presented. The branches of oscillations which can participate in such process are specified. The possible mechanisms of appearance of burst of radiation which follows after certain time delay after the main impulse obtained in the experiment are discussed. The qualitative agreement of the theoretical deductions with the experimental results is observed.Представлен результати експериментального та теоретичного дослідження процесу хаотичного розпаду ВЧ- хвилі на дві нові – ВЧ та НЧ в циліндричному резонаторі, що заповнений рідкою плазмою. Вказані гілки коливань, які можуть брати участь в такому процесі. Обговорюються можливі механізми появи виявленого в експерименті сплеску випромінювання, що з’являється з деякою часовою затримкою після першого імпульсу. Відзначено якісний збіг теоретичних висновків з експериментальними результатами.Представлены результаты экспериментального и теоретического исследования процесса хаотического распада ВЧ- волны на две новые – ВЧ и НЧ в цилиндрическом резонаторе, заполненном редкой плазмой. Указаны ветви колебаний, которые могут участвовать в таком процессе. Обсуждаются возможные механизмы появления обнаруженного в эксперименте всплеска излучения, следующего с некоторой временной задержкой после основного импульса. Отмечено качественное согласие теоретических выводов с экспериментальными результатами

Measurement of dispersion of low-frequency ion oscillations in hybrid plasma waveguides

A new technique of determining dispersion characteristics of the ion oscillations, excited in the hybrid plasma waveguide is elaborated (this device is a slow-wave structure, the passage channel of which is filled with plasma). This method is based on measuring changes in the shape of a single probing pulse propagating in the system. The method is tested in the process of determining the dispersion of low-frequency ion waves under the condition of the excitation of high-frequency powerful electron oscillations by an electron beam in the waveguide. The experimental data are compared with the analytical calculations.Розроблена методика визначення дисперсійних характеристик хвиль, порушуваних в гібридному плазмовому хвилеводі (уповільнююча структура, пролітний канал якої заповнений плазмою), заснована на вимірюванні зміни форми одиночного зондуючого імпульсу, що розповсюджується в системі. Випробування методу проведено при визначенні дисперсії низькочастотних іонних хвиль в умовах збудження в хвилеводі електронним пучком високочастотних електронних коливань великого рівня потужності. Проведено порівняння результатів експерименту з теоретичними розрахунками.Разработана методика определения дисперсионных характеристик волн, возбуждаемых в гибридном плазменном волноводе (замедляющая структура, пролётный канал которой заполнен плазмой), основанная на измерении изменения формы распространяющегося в системе одиночного зондирующего импульса. Испытание метода проведено при определении дисперсии низкочастотных ионных волн в условиях возбуждения в волноводе электронным пучком высокочастотных электронных колебаний большого уровня мощности. Проведено сравнение результатов эксперимента с теоретическими расчетами

Magnetic field dynamics in plasma opening switch

Computer simulations for magnetic field penetration into plasma of plasma opening switch (POS), and current loop formation in it are presented for various initial plasma densities, currents, and POS geometries. It is shown that the current loop dynamics in the POS is determined by the fast magnetic field penetration in plasma due to the Hall effect. The strong dependence of the current loop longitudinal velocity on the transverse coordinate, together with the influence of the boundary conditions at the POS cathode and anode, lead to the formation of the narrow S-shaped current loop even in a homogeneous plasma. It is shown that the control parameters influencing the dynamics of the magnetic field and the motion of the current loop in the POS are the initial plasma density, driving current and cathode radius. The POS resistance is calculated for wide range of initial plasma densities, currents, and cathode radiuses. It is shown, that POS resistance is proportional to the total current, inversely proportional to plasma density, and is in the range 10⁻³…1 Ω for plasma densities 10¹²…10¹⁵ cm⁻³.Комп'ютерні моделювання проникнення магнітного поля у плазму плазмового комутатора струму (ПКС) і формування у ній струмової петлі представлені для різних початкових густин плазми, повних струмів і геометрій ПКC. Показано, що динаміка струмової петлі у ПКС визначається швидким проникненням магнітного поля у плазму за рахунок ефекту Холла. Сильна залежність поздовжньої швидкості струмової петлі від поперечної координати, а також вплив граничних умов на катоді і аноді ПКC призводять до утворення вузької S-образної струмової петлі в однорідній плазмі. Показано, що керуючими параметрами, що впливають на динаміку магнітного поля і рух струмової петлі у ПКC, є початкова густина плазми, повний струм і радіус катода. Опір ПКC розраховано для широкого діапазону початкових густин плазми, повних струмів і радіусів катода. Показано, що опір ПКC пропорційний повному струму, обернено пропорційний густині плазми і знаходиться у діапазоні 10⁻³…1 Ом для густин плазми 10¹²…10¹⁵ см⁻³.Компьютерные моделирования проникновения магнитного поля в плазму плазменного коммутатора тока (ПКТ) и формирования в ней токовой петли представлены для различных начальных плотностей плазмы, полных токов и геометрий ПКТ. Показано, что динамика токовой петли в ПКТ определяется быстрым проникновением в плазму магнитного поля за счет эффекта Холла. Сильная зависимость продольной скорости токовой петли от поперечной координаты, а также влияние граничных условий на катоде и аноде ПКТ приводят к образованию узкой S-образной токовой петли в однородной плазме. Показано, что управляющими параметрами, влияющими на динамику магнитного поля и движение токовой петли в ПКТ, являются начальная плотность плазмы, полный ток и радиус катода.Сопротивление ПКТ рассчитано для широкого диапазона начальных плотностей плазмы, полных токов и радиусов катода. Показано, что сопротивление ПКТ пропорционально полному току, обратно пропорционально плотности плазмы и находится в диапазоне 10⁻³…1 Ом для плотностей плазмы 10¹²…10¹⁵ cm⁻³