Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches
Wakefield excitation in a plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches with the purpose to increase excited field amplitude in comparison to waveguide case is experimentally investigated. A sequence of short electron bunches is produced by the linear resonant accelerator. Plasma r...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110770 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches / V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny, I.N. Onishchenko, V.V. Uskov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 135-137. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859667477826371584 |
|---|---|
| author | Kiselev, V.A. Linnik, A.F. Mirny, V.I. Onishchenko, I.N. Uskov, V.V. |
| author_facet | Kiselev, V.A. Linnik, A.F. Mirny, V.I. Onishchenko, I.N. Uskov, V.V. |
| citation_txt | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches / V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny, I.N. Onishchenko, V.V. Uskov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 135-137. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Wakefield excitation in a plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches with the purpose to increase excited field amplitude in comparison to waveguide case is experimentally investigated. A sequence of short electron bunches is produced by the linear resonant accelerator. Plasma resonator is formed at the beam-plasma discharge in rectangular metal waveguide filled with gas and closed by metal foil at entrance and movable short-circuited plunger at exit. Measurements of wakefield amplitude are performed showing considerably higher wakefield amplitude for resonator case.
Експериментально досліджується збудження кільватерних полів послідовністю релятивістських електронних згустків у плазмовому резонаторі з метою збільшення амплітуди збудженого поля порівняно з хвилевідним випадком. Послідовність коротких електронних згустків генерується лінійним резонансним прискорювачем. Плазмовий резонатор формується при пучково-плазмовому розряді в прямокутному металевому хвилеводі, заповненим газом та закритим металевою фольгою на вході й рухомим короткозамкненим плунжером на виході. Виконані виміри амплітуди кільватерного поля, які показують значно більші амплітуди для резонаторного випадку.
Экспериментально исследуется возбуждение кильватерных полей последовательностью релятивистских электронных сгустков в плазменном резонаторе с целью увеличения амплитуды возбужденного поля по сравнению с волноводным случаем. Последовательность коротких электронных сгустков генерируется линейным резонансным ускорителем. Плазменный резонатор формируется при пучково-плазменном разряде в прямоугольном металлическом волноводе, заполненном газом и закрытым металлической фольгой на входе и подвижным короткозамкнутым плунжером на выходе. Выполнены измерения амплитуды кильватерного поля, показывающие значительно большие амплитуды для резонаторного случая.
|
| first_indexed | 2025-11-30T12:11:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
WAKEFIELD EXCITATION IN PLASMA RESONATOR BY A SEQUENCE
OF RELATIVISTIC ELECTRON BUNCHES
V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny, I.N. Onishchenko, V.V. Uskov
National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine,
E-mail: onish@kipt.kharkov.ua
Wakefield excitation in a plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches with the purpose to
increase excited field amplitude in comparison to waveguide case is experimentally investigated. A sequence of short
electron bunches is produced by the linear resonant accelerator. Plasma resonator is formed at the beam-plasma
discharge in rectangular metal waveguide filled with gas and closed by metal foil at entrance and movable short-
circuited plunger at exit. Measurements of wakefield amplitude are performed showing considerably higher wakefield
amplitude for resonator case.
PACS: 29.17.+w; 41.75.Lx;
1. INTRODUCTION
In our previous paper [1] we have reported the status
of experimental installation for investigations of plasma
resonator concept of plasma wakefield accelerator [2-4].
Besides plasma production by means of beam-plasma
discharge was investigated and wakefield excitation only
in semi-infinite plasma waveguide, i.e. without reflecting
exit metal wall, was obtained and electron energy
spectrum of interacting bunches was measured.
In the present work experiments on plasma wakefield
excitation by a regular sequence of relativistic electron
bunches in plasma resonator are described. Experimental
installation is presented in which in contrast to the
installation used in [1] cylindrical waveguide was
changed by rectangular one and exit metal greed was
replaced by movable short-circuited plunger.
2. EXPERIMENTAL SETUP
Experiments on the investigation of wakefield
excitation in plasma resonator are carried out at the
installation, which scheme is shown in Fig.1.
Fig. 1. Schematic of the installation:
1- electron bunches; 2- electron linac; 3- rectangular
10-cm waveguide; 4- Ti-foil; 5- plasma; 6– movable
plunger; 7,8 - HF-probes; 9 - HF-oscillations register;
10 - optical window; 11 – spectrograph;
12,13 - magnetic analyzers
For wakefield excitation in plasma a train of bunches,
which is produced by means of the linear resonant
accelerator is used. Parameters of the beam: energy
4.5 МeV, pulsed current 0.5 A, pulse duration 2 µs,
modulation frequency of the beam (bunch repetition
frequency) 2805 MHz. Each pulse consists of a periodic
sequence of 6∙103 electron bunches. Bunch duration is
60 ps and time interval between bunches 300 ps. RMS
parameters of each bunch are σz=1.7cm, σr=0.5cm, σθ=
0.05mrad, charge is 0.16nC.
Bunches of relativistic electrons (1) from the
accelerator exit (2) are injected into metal resonator (3)
through the entrance end-wall closed by a Ti-foil (4) of
thickness 35 µm. Resonator is composed from 1-cm
rectangular metallic waveguide of cross-section
72x34 mm2 and length 25cm in entrance end-wall is Ti-
foil and exit end-wall is movable short-circuited plunger
(6). The length of the resonator can be done equal to
divisible half-wavelength of eigen mode of frequency
equaled to bunch repetition frequency. The end-walls
hermetically closed the waveguide, that allows to change
pressure of working gas in the resonator over a wide
range (from 10-2 up to 760 Тоrr), at maintenance of high
vacuum in accelerator sections. Electron bunches,
propagating in working gas, ionize gas and create plasma
(5) inside resonator. Several high-frequency probes (7, 8)
are installed, which signals are fed the registering systems
(9).
Intensity of wakefield excited in plasma is determined
by optical methods of diagnostics, in particular measuring
spectral lines widening (i.e. using Stark effect). The
temperature and density of plasma is measured by integral
intensity and the ratio of amplitudes of spectral
components of optical radiation. For these purposes the
window (10) serves which is hermetically closed by
quartz glass and is intended for an output of optical
radiation from plasma. To maintain high Q-quality of the
resonator and to prevent HF-radiation removal an optical
window is closed by a metal grid. The analysis of optical
radiation is carried out by means of spectrograph (11) of
type ISP-51 and the double optical converter.
Losses of electron beam energy are estimated by
change of its energy spectra before its injection into
plasma resonator and after passage of the plasma
resonator. Energy spectra are measured by means of the
magnetic analyzers (12,13) located at the accelerator exit
and at the resonator exit. The current of electrons during
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 6. 135
Series: Plasma Physics (14), p. 135-137.
energy spectrum measuring with magnetic analyzers was
registered by Faraday cylinder.
3. EXPERIMENTAL RESULTS
Plasma is produced due to neutral gas ionization by
means of electron bunches collisions and beam-plasma
discharge. Plasma density np in these experiments was
determined from its conductivity σ [5]. At high pressure
of neutral gas and frequency of the applied field ω = 104–
107 s-1 this conductivity σ = e npµе. The electron mobility
µе at given density and temperature of neutral gas was
determined under the tables [6]. The measurement
accuracy of plasma density by such method is within the
limits of 20 %.
Fig.2. Оscillograms of: (а)-electron beam current, (b)-RF
signal of wakefield for semi-infinite plasma waveguide,
(с)-RF signal of wakefield for plasma resonator
The results of measurement of plasma density have
shown, that in the region of intensive glow (0< l < 10 cm)
the plasma is longitudinally uniform, and its density is
nр ≈ 5×1011 cm-3, so the plasma frequency is equaled to
frequency of the beam modulation (ωр ≈ ωм). At larger
distances from the exit (l > 10 cm) plasma density
decreases, that is explained by decreasing of the current
density of the beam due to its angular divergence and
dissipation of the beam electrons during its interaction
with plasma in a resonance region.
Excited wakefield measured by RF-probes for semi-
infinite and resonator cases are shown in Fig. 2. In Fig. 2a
waveform of electron beam macropulse of duration 2µs,
containing 6000 bunches, is presented.
It is seen that in both cases (Fig 2b and Fig.2c)
wakefield amplitude saturates rapidly, i.e. only a small
number of bunches lose energy on amplitude growth. But
for the resonator case (Fig.2c) time of amplitude growth
much more comparatively to semi-infinite waveguide
case (Fig 2b), therefore corresponding number of
depositing bunches is considerably more. Accordingly
wakefield amplitude for the resonator case is 4-5 times
higher.
Note that relatively uniform plasma density is on the
length only 10 cm. So the other part of resonator is filled
with nonuniform plasma. In such situation transformation
of plasma wave (i.e. plasma wakefield) into eigen
electromagnetic wave and otherwise for the reflected
wave. Because of this complicated picture the estimation
of grope velocity, determining wakefield escaping in
semi-infinite waveguide case and consequently basing
resonator concept advantage becomes difficult.
Longitudinal distribution of wakefield Ez-component
obtained by measuring amplitude of RF-signal at various
z-position of movable plunger is shown in Fig.3.
Fig.3. Longitudinal distribution of wakefield
Еz –component: 1 – semi-infinite plasma waveguide,
2 – plasma resonator
The main conclusion, which can be maid from Fig.3,
is 5 times wakefield exceeding for resonator case.
136
5 10 15 20 25
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
E z
, a
.u
.
LZ, cm
1
2
It can be marked for both cases, even for semi-infinite
waveguide case, the oscillating behavior of wakefield
distribution that is particular for resonator system. The
latter can be caused by nonavoided field reflection in
absence of the plunger.
4. CONCLUSIONS
A train of monoenergetic relativistic electron bunches
(4.5МeV, 0.5А), produced by linear resonant electron
accelerator, generates «resonant» plasma (ωp= ωm) along
length 15сm in gas at atmosphere pressure, owing to
collision ionization and beam-plasma discharge.
Use of plasma resonator allows to increase number of
bunches, depositing in coherent excitation of plasma
wakefield. 4.5 times wakefield amplitude increase in
plasma resonator comparing to semi-infinite plasma
waveguide is obtained that confirms appropriateness of
resonator concept directed on using regular sequence of
large quantity of bunches of a small charge instead of a
single bunch of equivalent total charge.
Further increase of coherently depositing bunches is
supposed to fulfill owing to improvement of resonator Q-
quality at lower gas pressure and corresponding decrease
of collisions with neutrals.
REFERENCES
1. V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny,
I.N. Onishchenko, V.V. Uskov. Experiments on
resonator concept of plasma wakefield accelerator
driven by a train of relativistic electron bunches /
Problems of Atomic Science and Technology. Series:
“Plasma Electronics and New Methods of
Acceleration” (6). 2008, N 4, p.73-76.
2. J.B. Rosenzweig et al. Experimental Observation of
Plasma Wake-Field Acceleration // Phys. Rev. Lett.
1988, v.61, p.98.
3. A.K. Berezin et al. //Fiz.Plazmy. 1994, v. 20, p. 663;
Plasma Phys. Rep. 1994, v. 20, p. 256.
4. R. Ischebeck. Energy Doubling of 42 GeV Electrons
// 12th Advanced Accelerator Concepts Workshop;
AIP Conf. Proc./ Melville New York, 2006, v. 877,
p.3-7.
5. A.S. Fisher, R.H. Ronteel, J. Feinstein, T.L. Delonty
// J. Appl. Phys. 1988, v. 64, N 2, p. 572-578.
6. L. Olsen // Phys. Rev. 1974, v. 9, N 12, p. 2631-2635.
Article received 22.09.08.
ВОЗБУЖДЕНИЕ КИЛЬВАТЕРНЫХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕННОМ РЕЗОНАТОРЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ
В.А. Киселев, А.Ф. Линник, В.И. Мирный, И.Н. Онищенко, В.В. Усков.
Экспериментально исследуется возбуждение кильватерных полей последовательностью релятивистских
электронных сгустков в плазменном резонаторе с целью увеличения амплитуды возбужденного поля по
сравнению с волноводным случаем. Последовательность коротких электронных сгустков генерируется
линейным резонансным ускорителем. Плазменный резонатор формируется при пучково-плазменном разряде в
прямоугольном металлическом волноводе, заполненном газом и закрытым металлической фольгой на входе и
подвижным короткозамкнутым плунжером на выходе. Выполнены измерения амплитуды кильватерного поля,
показывающие значительно большие амплитуды для резонаторного случая.
ЗБУДЖЕННЯ КІЛЬВАТЕРНИХ ПОЛІВ В ПЛАЗМОВОМУ РЕЗОНАТОРІ ПОСЛІДОВНІСТЮ
РЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЕЛЕКТРОННИХ ЗГУСТКІВ
В.О. Кисельов, A.Ф. Лінник, В.І. Мирний, І.М. Онищенко, В.В. Усков
Експериментально досліджується збудження кільватерних полів послідовністю релятивістських
електронних згустків у плазмовому резонаторі з метою збільшення амплітуди збудженого поля порівняно з
хвилевідним випадком. Послідовність коротких електронних згустків генерується лінійним резонансним
прискорювачем. Плазмовий резонатор формується при пучково-плазмовому розряді в прямокутному
металевому хвилеводі, заповненим газом та закритим металевою фольгою на вході й рухомим
короткозамкненим плунжером на виході. Виконані виміри амплітуди кільватерного поля, які показують значно
більші амплітуди для резонаторного випадку.
137
4. CONCLUSIONS
References
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110770 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-11-30T12:11:25Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Kiselev, V.A. Linnik, A.F. Mirny, V.I. Onishchenko, I.N. Uskov, V.V. 2017-01-06T11:45:36Z 2017-01-06T11:45:36Z 2008 Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches / V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny, I.N. Onishchenko, V.V. Uskov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 135-137. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.17.+w; 41.75.Lx; https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110770 Wakefield excitation in a plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches with the purpose to increase excited field amplitude in comparison to waveguide case is experimentally investigated. A sequence of short electron bunches is produced by the linear resonant accelerator. Plasma resonator is formed at the beam-plasma discharge in rectangular metal waveguide filled with gas and closed by metal foil at entrance and movable short-circuited plunger at exit. Measurements of wakefield amplitude are performed showing considerably higher wakefield amplitude for resonator case. Експериментально досліджується збудження кільватерних полів послідовністю релятивістських електронних згустків у плазмовому резонаторі з метою збільшення амплітуди збудженого поля порівняно з хвилевідним випадком. Послідовність коротких електронних згустків генерується лінійним резонансним прискорювачем. Плазмовий резонатор формується при пучково-плазмовому розряді в прямокутному металевому хвилеводі, заповненим газом та закритим металевою фольгою на вході й рухомим короткозамкненим плунжером на виході. Виконані виміри амплітуди кільватерного поля, які показують значно більші амплітуди для резонаторного випадку. Экспериментально исследуется возбуждение кильватерных полей последовательностью релятивистских электронных сгустков в плазменном резонаторе с целью увеличения амплитуды возбужденного поля по сравнению с волноводным случаем. Последовательность коротких электронных сгустков генерируется линейным резонансным ускорителем. Плазменный резонатор формируется при пучково-плазменном разряде в прямоугольном металлическом волноводе, заполненном газом и закрытым металлической фольгой на входе и подвижным короткозамкнутым плунжером на выходе. Выполнены измерения амплитуды кильватерного поля, показывающие значительно большие амплитуды для резонаторного случая. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Plasma electronics Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches Збудження кільватерних полів в плазмовому резонаторі послідовністю релятивістських електронних згустків Возбуждение кильватерных полей в плазменном резонаторе последовательностью релятивистских электронных сгустков Article published earlier |
| spellingShingle | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches Kiselev, V.A. Linnik, A.F. Mirny, V.I. Onishchenko, I.N. Uskov, V.V. Plasma electronics |
| title | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| title_alt | Збудження кільватерних полів в плазмовому резонаторі послідовністю релятивістських електронних згустків Возбуждение кильватерных полей в плазменном резонаторе последовательностью релятивистских электронных сгустков |
| title_full | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| title_fullStr | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| title_full_unstemmed | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| title_short | Wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| title_sort | wakefield excitation in plasma resonator by a sequence of relativistic electron bunches |
| topic | Plasma electronics |
| topic_facet | Plasma electronics |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110770 |
| work_keys_str_mv | AT kiselevva wakefieldexcitationinplasmaresonatorbyasequenceofrelativisticelectronbunches AT linnikaf wakefieldexcitationinplasmaresonatorbyasequenceofrelativisticelectronbunches AT mirnyvi wakefieldexcitationinplasmaresonatorbyasequenceofrelativisticelectronbunches AT onishchenkoin wakefieldexcitationinplasmaresonatorbyasequenceofrelativisticelectronbunches AT uskovvv wakefieldexcitationinplasmaresonatorbyasequenceofrelativisticelectronbunches AT kiselevva zbudžennâkílʹvaternihpolívvplazmovomurezonatoríposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT linnikaf zbudžennâkílʹvaternihpolívvplazmovomurezonatoríposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT mirnyvi zbudžennâkílʹvaternihpolívvplazmovomurezonatoríposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT onishchenkoin zbudžennâkílʹvaternihpolívvplazmovomurezonatoríposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT uskovvv zbudžennâkílʹvaternihpolívvplazmovomurezonatoríposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT kiselevva vozbuždeniekilʹvaternyhpoleivplazmennomrezonatoreposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT linnikaf vozbuždeniekilʹvaternyhpoleivplazmennomrezonatoreposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT mirnyvi vozbuždeniekilʹvaternyhpoleivplazmennomrezonatoreposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT onishchenkoin vozbuždeniekilʹvaternyhpoleivplazmennomrezonatoreposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT uskovvv vozbuždeniekilʹvaternyhpoleivplazmennomrezonatoreposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov |