Ion accelerator based on plasma vircator

Based on previous fundamental and experimental research [1, 2] the conception of a collective ion accelerator is proposed to be developed in the frameworks of STCU project #1569 (NSC KIPT, Ukraine) in coordination with the ISTC project #1629 (VNIIEF, Russia). The main processes of acceleration are supposed to be consisted of two stages. First one is the plasma assistance virtual cathode (VC) in which plasma ions are accelerated in a potential well of VC. Along with ion acceleration the relaxation oscillations, caused by diminishing the potential well due to ion compensation, arise that provides the low-frequency (inverse ion transit time) temporal modulation of an intense relativistic electron beam (IREB) current. At the second stage temporally modulated IREB is injected into the spatially periodic magnetic field. The further ion acceleration is realized by the slow space charge wave that arises in IREB due to its simultaneous temporal and spatial modulation

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

Microwave generation by supercritical REB at plasma assistance

The experimental researches on generation of microwave radiation in a system with a supercritical current of a relativistic electron beam produced in the magnetically isolated diode and external plasma source are carried out. The researches have shown that in the presence of external plasma the power of microwave radiation is increased in comparison to vacuum system.Проведені експериментальні дослідження генерації НВЧ випромінювання в системі з надкритичним струмом релятивістського електронного пучка і зовнішнім плазмовим джерелом. Дослідження показали, що при наявності зовнішньої плазми потужність НВЧ випромінювання збільшується в порівняні з вакуумною системою.Проведены экспериментальные исследования генерации СВЧ излучения в системе со сверхкритическим током релятивистского электронного пучка и внешним плазменным источником. Исследования показали, что при наличии внешней плазмы мощность СВЧ излучения увеличивается по сравнению с вакуумной системой

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

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

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

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