Relativistic electron bunch excitation of plasma wake-field and charged particle acceleration in the presence of external magnetic field

The report is devoted to the theoretical study and numerical simulation of the excitation of wake-fields in plasma and their application for charged particle acceleration. It is shown that at a given relationship between the parameters of the "plasma bunch - magnetic field" system in the magnetoactive plasma owing to the hybrid space-surface character of wake-field waves excited by a relativistic electron bunch (REB), the accelerated bunch energy εmax can appear essentially higher than the exciting bunch energy even if the longitudinal REB charge density profiling is not used. With the help of 2.5 D numerical simulation of wake-fields excited by a single REB or a REB sequence it has been established the following: the ion channel is formed owing to transverse ion motion in self- consistent electromagnetic fields, this channel stabilizes REB propagation and thus serves to increase the REB excited fields; the self-modulation of a long pulsed REB is a very promising way both to obtain high rates of charged particle acceleration and to modulate the bunch and plasma densities (this gives evidence that the linear approach cannot be used to describe the plasma even in the low beam density case). These results make it possible to clarify the prospects and to evaluate the possibility of creating new-type charged particle accelerators which will have acceleration rates much higher than the conventional resonant accelerator has

Charged particle acceleration by an intense wake-field excited in plasmas by either laser pulse or relativistic electron bunch

The results from theoretical and experimental studies, as well as from 2.5-dimensional (2.5-D) numerical simulation of plasma wake field excitation, by either relativistic electron bunch, laser pulse, and the charged particle wake field acceleration are discussed. The results of these investigations make it possible to evaluate the potentialities of the wake field acceleration method and to analyze whether it can serve as a basis for creating a new generation of devices capable of charged particle accelerating at substantially higher (on the order of two to three magnitudes) rates in comparison with those achievable in classical linear high-frequency (resonant) accelerators

Relativistic electron bunch excitation of wake fields in magnеtoactive plasma

We have been demonstrated that a multiple excess of the accelerated bunch energy εmax over the energy of the exciting. REB is possible in a magnetoactive plasma at a certain relationship between the parameters of the “plasmabunch-magnetic field” system owing to a hybrid volume-surface character of REB-excited wake fields, even without using the REBs contoured in the longitudinal direction

Relativistic electron beam pinching in plasma and cumulation of ions

A process of the high-current relativistic electron beam pinching propagating in plasma has been considered. A time of pinching of an electron - ion system has been defined. Maximum compression ratio, the ion density and temperature are found.Розглянуто процес пінчування релятивістського електронного пучка, що поширюється у плазмі. Визначено час пінчування електронно-іонної системи. Знайдені максимальна ступінь компресії, іонна густина та температура.Рассмотрен процесс пинчевания релятивистского электронного пучка, распространяющегося в плазме. Определено время пинчевания электронно-ионной системы. Найдены максимальная степень компрессии, ионные плотность и температура

Excitation of Langmuir oscillations in a semi-infinite dense plasma by laser pulse

Nonlinear mechanism of Langmuir wave excitation in dense plasma by intensive laser pulse has been investigated. Laser pulse has frequency ω=ω p /2 (where ω p is electron plasma frequency).Досліджено нелінійний механізм збудження ленгмюровських хвиль у щільній плазмі інтенсивним лазерним імпульсом з частотою ω=ω p /2 (де ω p - електронна плазмова частота).Исследован нелинейный механизм возбуждения ленгмюровских волн в плотной плазме интенсивным лазерным импульсом c частотой ω=ω p /2 (где ω p - электронная плазменная частота)

Studies of plasma parameters in low pressure discharge initiated in coaxial waveguide by microwave stochastic radiation

It is shown, to create an effective discharge, which initiated by means of radiation with a jumping along phase, expediently to operate only at pressures nearby to the left part of breakdown curve. Because at the increasing of pressure the losses of energy are increased on elastic and non-elastic collisions, that reduces efficiency of discharge. Authors in first measured a plasma density in low pressure discharge initiated by a microwave radiation with the jumps of phase with help developing the original technique of the use the double probes of Langmuir, separate source of direct-current, high-frequency transformers, digital oscilloscope and least-squares method for treatment of signals, using the special type of function of regression.Показано, что для создания эффективного разряда, инициированного с помощью излучения с прыжками фазы, целесообразно работать только при давлениях рядом с левой частью кривой пробоя. Потому что при возрастании давления потери энергии увеличиваются на упругих и неупругих столкновениях, что снижает эффективность разряда. Авторы впервые измерили плотность плазмы в условиях разряда низкого давления, инициированного СВЧ-излучением со скачками фазы, при помощи разработки оригинальной методики использования двойных зондов Ленгмюра, автономного источника постоянного тока, высокочастотных трансформаторов, цифрового осциллографа и метода наименьших квадратов для обработки сигналов, используя специальный тип функции регрессии.Показано, що для створення ефективного розряду, ініційованого за допомогою випромінення зі стрибками фази, доцільно працювати тільки при тисках поряд з лівою ділянкою кривої пробою. Тому що при зростанні тиску втрати енергії збільшуються на пружних та непружних зіткненнях, що знижує ефективність розряду. Автори вперше виміряли густину плазми в умовах розряду низького тиску, ініційованого НВЧ-випроміненням зі стрибками фази, за допомогою розробки оригінальної методики використання подвійних зондів Ленгмюра, автономного джерела постійного струму, високочастотних трансформаторів, цифрового осцилографа та метода найменших квадратів для обробки сигналів, застосовуючи спеціальний тип функції регресії

Plasma wake-field acceleration of charged particles by selfmodulated long relativistic electron bunch

- High-amplitude plasma wake-waves are excited by high-density relativistic electron bunches (REB) moving in a plasma. The wake- fields can be used to accelerate charged particles, to serve as electrostatic wigglers in freeelectron plasma lasers (FEL), and also can find many other applications. The electromagnetic fields in the region occupied by the bunch control the dynamics of the bunch itself. In particular, the transverse forces cause a strong compression (pinching) of bunches having small transverse dimensions (kprb << 1, where kp = ωp/c, ωp is the plasma frequency, c is the light velocity, and rb is the radius of the bunch). This phenomenon is at the basis of operation of plasma lenses that can be used to focus ultrahigh energy particles. The longitudinal fields give rise to longitudinal modulation of an electron bunch. Specifically, an originally uniform bunch evolves into individual microbunches. This paper presents the results of 2.5-dimensional numerical simulation of both the modulation of long REB in a plasma and the excitation of wake fields by these bunches. The previous one-dimensional study has shown that the density profile modulation of a long bunch moving in plasma results in the growth of the wake wave amplitude. This is explained by the fact that the wake fields generated by microbunches being due to the evolution of the initially uniform bunch during the modulation, are coherent. The bunch modulation occurs at the plasma frequency. The present study is concerned with the REB motion, taking into account the plasma and REB nonlinearities. It is demonstrated that the radial REB dynamics exerts primary effect on both the REB self-modulation and the wake field excitation by the bunches formed

The researches of kinetic electron emission for creation of new-type current source

It is suggested that the high energy electrons produced in ionization due to the nuclear particle flow should be used for effective conversion the radioactive decay energy into electrical energy. The conversation of secondary electron emission energy enables one to create a power source with a typical voltage of (10-20) V and a capacity above 2000 KWt×h/kg, this being much higher than for common sources. Moreover, the operation of this type of sources does not require heating to high temperature and use of a refrigerator; this significantly extends their area of application. The experimental studies into secondary emission characteristics of various materials were carried out to optimize binary cell materials of a secondary - emission radioisotope current source. The total current as a function of collector materials was measured. New data on the secondary emission characteristics of certain materials were obtained. It was ascertained that the total binary cell current had an effect upon secondary electron - electron emission. By way of example, a typical power dependence of voltage was investigated for copper collector; the optimum voltage value corresponding to peak power was calculated too

Low pressure discharge initiated by microwave radiation with stochastically jumping phase

Present results continue the line of the previous research. In this paper the conditions of a microwave discharge ignition, its stable maintenance in air by MWRSJP, and the pressure range at which required power is minimal are found. We experimentally examine also optical characteristics of the discharge plasma in a wide range of air pressure. In general the research aims to develop a new type of sources of optical radiation.Настоящие результаты продолжают линию предыдущих исследований. В этой статье найдены условия поджига и стабильного поддержания МВИСПФ микроволнового разряда в воздухе и диапазон давлений, в котором требуемая мощность минимальна. Мы экспериментально изучили также оптические характеристики плазмы разряда в широком диапазоне давлений воздуха. В общем цель исследований − развить новый тип источников оптического излучения.Наведені результати продовжують лінію попередніх досліджень. В цій статті знайдені умови підпалу та стабільного підтримання МХВССФ мікрохвильового розряду в повітрі та діапазон тисків, у якому потрібна потужність мінімальна. Ми експериментально вивчили також оптичні характеристики плазми розряду в широкому діапазоні тиску повітря. Взагалі мета − дослідити новий тип джерел оптичного випромінювання

Optical radiation special features from plasma of low pressure discharge initiated by microwave radiation with stochastic jumping phase

We study the plasma discharge, initiated by microwave radiation with stochastically jumping phase (MWRSJP) in a coaxial waveguide at the optimal mode of the beam-plasma generator. Present results continue the line of the previous research. In this paper we experimentally examine the optical characteristics of the discharge plasma in a wide range of both an air pressure and microwave radiation power. In general the research aims to develop a new type of sources of optical radiation.Вивчаєтся плазма розряду, ініційованого мікрохвильовим випромінюванням, зі стохастично стрибковою фазою в коаксиальному хвилеводі в оптимальному режимі пучково-плазмового генератора. Наведені результати є продовженням раніше проведених досліджень. Експериментально досліджувались оптичні характеристики розрядної плазми в широкій області тисків повітря та потужності мікрохвильового випромінювання. Метою дослідження є розвиток нового типу джерела оптичного випромінювання.Изучается плазма разряда, инициируемого микроволновым излучением, со стохастически прыгающей фазой в коаксиальном волноводе в оптимальном режиме пучково-плазменного генератора. Представленные результаты являются продолжением ранее проведенных исследований. Экспериментально исследовались оптические характеристики разрядной плазмы в широкой области давлений воздуха и мощности микроволнового излучения. Цель исследования – развитие нового типа источника оптического излучения