Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения

Экспериментально исследуется кильватерный ускоритель, в котором для увеличения градиента ускоряющего кильватерного поля при его возбуждении длинной цепочкой сгустков релятивистских электронов в прямоугольной диэлектрической структуре пролетный канал для сгустков заполняется плазмой резонансной плотн...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2010
Main Authors:	Киселёв, В.А., Линник, А.Ф., Мирный, В.И., Онищенко, И.Н., Усков, В.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Subjects:	Физика и техника ускорителей
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15679
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:	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения / В.А. Киселев, А.Ф. Линник, В.И. Мирный, И.Н. Онищенко, В.В. Усков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 23-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859947808759480320
author	Киселёв, В.А. Линник, А.Ф. Мирный, В.И. Онищенко, И.Н. Усков, В.В.
author_facet	Киселёв, В.А. Линник, А.Ф. Мирный, В.И. Онищенко, И.Н. Усков, В.В.
citation_txt	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения / В.А. Киселев, А.Ф. Линник, В.И. Мирный, И.Н. Онищенко, В.В. Усков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 23-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Экспериментально исследуется кильватерный ускоритель, в котором для увеличения градиента ускоряющего кильватерного поля при его возбуждении длинной цепочкой сгустков релятивистских электронов в прямоугольной диэлектрической структуре пролетный канал для сгустков заполняется плазмой резонансной плотности. Первая порция сгустков, полученных на электронном линаке «Алмаз-2», ионизирует газ при атмосферном давлении, так что плазменная частота становится равной частоте следования сгустков и частоте основной моды диэлектрической структуры. Исследуемый рост эффективности возбуждения обусловлен улучшением прохождения цепочки сгустков через пролетный канал, благодаря компенсации пространственного заряда плазмой, и изменению электродинамики диэлектрической структуры при плазменном заполнении пролетного канала. Експериментально спостерігається збільшення інтенсивності кільватерного поля при його збудженні послідовністю великого числа згустків релятивістських електронів в прямокутній діелектричній структурі, коли вона заповнюється плазмою резонансної густини. Перша порція згустків, отриманих на електронному лінаці «Алмаз-2», іонізує газ при атмосферному тискові, так що плазмова частота збігається з частотою слідування згустків і частотою основної моди діелектричної структури. Зростання ефективності збудження при таких умовах досліджується з врахуванням поліпшення проходження послідовності згустків через канал структури, яке викликане компенсацією просторового заряду плазмою, та змінами електродинаміки діелектричної структури при заповненні плазмою. Increase of wakefield intensity at its excitation by a long train of relativistic electron bunches in the rectangular dielectric structure when it is filled with plasma of resonant density was experimentally observed. The first portion of the bunches, produced by electron linac «Almaz-2», ionizes gas at atmospheric pressure so that plasma frequency becomes equal to bunch repetition frequency and to the frequency of principal eigen mode of the dielectric structure. Excitation enhancement at such resonant conditions is being studied taking into account the improvement of bunch train propagation in the transit channel caused by charge compensation with plasma and the electrodynamics change of the dielectric structure at filling with plasma.
first_indexed	2025-12-07T16:15:17Z
format	Article
fulltext	____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.23-28. 23 УДК 533.9 КИЛЬВАТЕРНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ГИБРИДНОЙ ПЛАЗМЕННО- ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ В.А. Киселев, А.Ф. Линник, В.И. Мирный, И.Н. Онищенко, В.В. Усков Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Е-mail: kiselev@kipt.kharkov.ua Экспериментально исследуется кильватерный ускоритель, в котором для увеличения градиента уско- ряющего кильватерного поля при его возбуждении длинной цепочкой сгустков релятивистских электронов в прямоугольной диэлектрической структуре пролетный канал для сгустков заполняется плазмой резонансной плотности. Первая порция сгустков, полученных на электронном линаке «Алмаз-2», ионизирует газ при ат- мосферном давлении, так что плазменная частота становится равной частоте следования сгустков и частоте основной моды диэлектрической структуры. Исследуемый рост эффективности возбуждения обусловлен улучшением прохождения цепочки сгустков через пролетный канал, благодаря компенсации пространст- венного заряда плазмой, и изменению электродинамики диэлектрической структуры при плазменном запол- нении пролетного канала. 1. ВВЕДЕНИЕ Получение пучков заряженных частиц сверхвысо- ких энергий на традиционных принципах требует больших длин ускорителей и, соответственно, значи- тельного увеличения экономических затрат. В связи с этим возникает необходимость поиска новых методов ускорения с большим темпом набора энергии. Одним из таких методов, исследуемых в настоя- щее время, является ускорение заряженных частиц кильватерными полями, возбуждаемыми в диэлек- трических структурах интенсивными сгустками ре- лятивистских электронов [1-6]. В этом методе ко- роткий сгусток релятивистских электронов с боль- шим зарядом, двигаясь в среде, возбуждает за собой электромагнитное поле, которое затем используется для ускорения другого сгустка меньшей интенсив- ности до более высоких энергий. В данной работе исследуются несколько концеп- ций, дающих возможность увеличения интенсивно- сти возбуждаемого поля. К таким концепциям отно- сятся: 1. Увеличение амплитуды возбуждаемого поля в результате когерентного сложения полей от боль- шого числа релятивистских электронных сгустков с небольшим зарядом, вместо использования одного сгустка с большим зарядом (т.н. многобанчевость). 2. Использование диэлектрических структур пря- моугольной конфигурации, так как теоретические исследования показали, что в таких структурах, в отличие от цилиндрической, возможна реализация многомодового режима возбуждения с эквидистант- ными гармониками, при котором за счет суммирова- ния гармоник происходит значительное увеличение амплитуды ускоряющего поля (т.н. многомодовость). 3. Как показывает теория [7], в полуограниченом волноводе из-за эффекта выноса поля с групповой скоростью происходит сложение полей только от нескольких сгустков. Для сложения полей всех сгу- стков последовательности, приводящему к увеличе- нию интенсивности возбуждаемого кильватерного поля, предложено использовать диэлектрический резонатор [8,9]. Кроме того, для увеличения темпа ускорения в таких системах желательно использовать диэлек- трики с большим ε, так как в этом случае улучшает- ся сложение возбуждаемых гармоник, увеличивает- ся Еz_-составляющая возбуждаемого поля. Но при этом для соблюдения условий совпадения собствен- ной частоты резонатора ω0 и частоты следования сгустков ωм (когда интенсивность возбуждаемого поля максимальна) возникает необходимость уменьшения поперечного сечения пролетного кана- ла. Но в этом случае разброс электронов по углам приводит к попаданию электронов на внутренние стенки диэлектрика и запиранию сгустков. С целью компенсации возникающего поля осевших электро- нов и для обеспечения хорошей транспортировки сгустков по каналу в настоящем исследовании пред- лагается использовать плазму, заполняющую про- летный канал. Кроме того, в этом случае кильватер- ные поля из поверхностных, провисающих на оси, становятся объемными [10], так что эффективность возбуждения может увеличиться. В работе исследуется диэлектрическая структура прямоугольного сечения с ε=2,1 (вакуумный вари- ант) и структура с ε=9 (с вакуумным пролетным ка- налом и с каналом, заполненным плазмой) и приво- дится их сравнение. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Эксперименты по исследованию возбуждения кильватерных волн в волноводно-диэлектрических структурах прямоугольной конфигурации проводи- лись на установке, схема которой показана на Рис.1. Для возбуждения поля использовался модулиро- ванный релятивистский электронный пучок, полу- чаемый с помощью линейного резонансного уско- рителя. Параметры пучка: энергия 4,5 МэВ, ток в импульсе 0,5 А, длительность импульса 2 мкс, час- тота модуляции пучка 2805 МГц. Каждый импульс состоит из последовательности 6·103 электронных сгустков с длительностью каждого τсг ≈60 пс и вре- менным интервалом между ними 300 пс. Диаметр mailto:kiselev@kipt.kharkov.ua пучка на выходе из ускорителя ∼ 10 мм, длина сгу- стка ≈ 17 мм, заряд 0,32 нК. Рис.1. Схема установки: 1 – ускоритель электро- нов; 2 – магнитные анализаторы; 3 – диафрагма; 4 – диэлектрические пластины; 5 – прямоугольный медный волновод; 6 – фторопластовая заглушка; 7 – СВЧ-зонды; 8 – замыкающий плунжер; 9 – осциллограф; 10 – стеклянная пластина; 11 – рупорная антенна; 12 – измеритель мощности Сгустки релятивистских электронов инжекти- ровались в волноводно-диэлектрическую структуру, основным элементом которой является медный прямоугольный волновод с внутренним сечением 85×180 мм и длиной 750 мм, вдоль узких или широ- ких сторон которого располагались пластины из фторопласта Ф-4. Толщина диэлектрических пла- стин составляла 21,9 мм. Выходной торец волновода был герметично закрыт фторопластовой пластиной толщиной 10 мм, что позволяло создавать в волново- де необходимый вакуум и выводить СВЧ-излучение из волноводно-диэлектрической структуры для про- ведения различных измерений. Специально прове- денные измерения показали, что потери СВЧ- излучения в такой пластине составляют не более 2%. Длина диэлектрика была равна 534,2 мм, что на 250 мм меньше длины волновода. Свободный от диэлектрика отрезок волновода использовался для отклонения электронного пучка с помощью попе- речного постоянного магнитного поля на стенки волновода для того, чтобы предотвратить его попа- дание на фторопластовую пластину выходного окна. Для создания резонаторной системы к выходному торцу волновода присоединялся короткозамкнутый отрезок волновода таких же поперечных размеров. Ко- роткозамыкателем служил подвижный плунжер, в цен- тре которого был расположен высокочастотный зонд, регистрирующий Еz-компоненту возбуждаемого поля. Потери энергии электронами пучка оценивались по изменению энергетических спектров релятивист- ского электронного пучка до и после прохождения им волноводно-диэлектрической структуры, кото- рые измерялись с помощью магнитных анализато- ров, расположенных на выходе ускорителя и на вы- ходе структуры. Для этой же цели использовались отпечатки пучка, отклоненного поперечным маг- нитным полем, на стеклянных пластинах, помещен- ных внутри волновода вблизи его выходного торца. 24 В качестве диэлектрической структуры с боль- шим ε использовались диэлектрические пластины из высокочастотной керамики с ε=9, расположенные вдоль широких стенок стандартного медного волно- вода сечением 72,14×34.04 мм. Толщина пластин, равная 8,8 мм, выбиралась из условия совпадения частоты ω0, определяемой черенковским резонансом, т.е. пересечением пучковой моды и основной моды Е010 волновода, частично заполненного диэлектри- ком, с частотой следования сгустков ωм.. При этом ширина канала для пролета сгустков оказалась рав- ной 16,4 мм. Длина пластин взята равной 270 мм. Эксперименты проводились с вакуумным и за- полненным плазмой пролетным каналом в диэлек- трической структуре. В первом случае электронные сгустки через отверстие в металлической диафрагме проходили в диэлектрическую структуру, выходной конец которой для обеспечения вакуума был закрыт фторопластовой заглушкой. Во втором случае электронные сгустки через тита- новую фольгу толщиной 50 мкм инжектировались в диэлектрическую структуру, в пролетном канале кото- рой находился воздух при атмосферном давлении. Основными показателями, характеризующими сте- пень интенсивности возбуждения кильватерных волн в наших экспериментах являются измерения потерь энергии электронными сгустками на возбуждение ко- лебаний, амплитуды Еz-составляющей возбуждаемого поля с помощью СВЧ-зондов и наличие ускоренных электронов в энергетических спектрах сгустков, про- шедших через диэлектрическую структуру. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 3.1. ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ (Ε=2,1) Для исследования возбуждения кильватерного поля последовательностью сгустков релятивистских электронов при наличии резонатора были проведе- ны измерения величины суммарного сигнала и сиг- нала первой гармоники СВЧ-зондом, расположен- ным в торце короткозамыкателя дополнительного волновода, в зависимости от длины дополнительно- го резонатора (Рис.2). Видно, что амплитуда сум- марного сигнала более чем в два раза превышает амплитуду сигнала первой гармоники. Для сравнения на Рис.3 показаны зависимости ве- личины сигнала первой гармоники (а) и суммарного сигнала (б) от длины резонатора для диэлектрической структуры цилиндрической конфигурации. Рис.2. Зависимость величины суммарного сигнала (1) и сигнала первой гармоники (2) от длины дополнительного резонатора В этом случае превышение максимальной ам- плитуды суммарного сигнала над амплитудой пер- вой гармоники не более чем на 30%, что может яв- ляться следствием отсутствия эквидистантности возбуждаемых мод. Рис.3. Зависимость величины суммарного сигнала (1) и сигнала первой гармоники (2) от длины резона- тора (структура цилиндрической конфигурации) Увеличение амплитуды суммарного сигнала при наличии резонатора (U=1,5 В) по сравнению с ам- плитудой сигнала в случае полуоткрытого волново- да (U=0,3 В) свидетельствует о сложении полей от большого количества сгустков при использовании резонаторной системы. Измерения энергетических спектров электрон- ных сгустков, прошедших через диэлектрическую резонаторную структуру, проведенные с помощью магнитных анализаторов, показали, что потери энергии для электронов пучка с узким энергетиче- ским спектром (∆W/W≈8%) составляют около 17%. Для ускорения электронов в поле возбуждаемой кильватерной волны необходимо использовать до- полнительный электронный сгусток, который ин- жектируется в ускоряющую фазу волны, возбуж- даемую последовательностью сгустков. В данной работе была сделана попытка ускорения электронов из той же последовательности электронных сгуст- ков, которая использовалась и для возбуждения кильватерного поля. Для этого использовалась ва- риация расстройки между собственной частотой возбуждаемой волны и частотой следования сгуст- ков (Δω=ω0-ωм). а б Рис.4. Оосциллограмма Еzсоставляющей возбуждаемого кильватерного поля (ω0=ωм), узкий спектр); б – энергетические спектры пучка: 1 – исходный спектр, 2 – после прохождения через структуру (резонатор) Как видно из Рис.4,а, при совпадении собствен- ной частоты резонатора с частотой следования сгу- стков (ω0=ωм) все сгустки оказываются в тормозя- щей фазе возбуждаемой волны и отдают ей свою энергию, увеличивая амплитуду Еz-составляющей возбуждаемого поля в течение всего импульса тока. Из энергетических спектров пучка, определяе- мых по отпечаткам электронных сгустков на стек- лянных пластинах после прохождения ими структу- ры и последующего отклонения поперечным маг- нитным полем в плоскости, параллельной диэлек- трическим пластинам (Рис.4,б), видно, что электро- ны сгустков теряют свою энергию и как целое сме- щаются в область малых энергий. При наличии расстройки Δω=ω0-ωм=0,5 МГц реализуется режим, когда передняя часть сгустков последовательности теряет энергию на возбуждение кильватерных полей, а следующие сгустки через больший период прохождения сгустков в сравнении с периодом возбужденного поля попадают в уско- ряющую фазу. В этом случае на осциллограмме СВЧ-сигнала, представленного на Рис.5,а, виден рост амплитуды поля для сгустков, которые теряют энергию, и уменьшение амплитуды, когда сгустки попадают в ускоряющую фазу возбуждаемого поля. Соответственно, в энергетическом спектре электро- нов, который измерялся магнитным анализатором, в этом случае наблюдаются как замедленные, так и ускоренные электроны (Рис.5,б). а б Рис.5. Осциллограмма Еz-составные возбуждаемые кильватерные поля (ω0>ωм) узкий спектр); б – энергетические спектры пучка: 1 – исходный спектр, 2 – после прохождения через структуру (резонатор) Величиной расстройки можно изменять количе- ство сгустков последовательности, которые возбуж- дают кильватерное поле, и часть сгустков, которые в этом поле ускоряются. Более того, последователь- ность может быть разбита на несколько частей: сгу- стков, которые возбуждают поле, и сгустков, кото- рые ускоряются. Действительно, при большой рас- стройке (Δω=ω0-ωм> 1МГц) (см. Рис.6) реализуется режим, когда сгустки первой части последователь- ности возбуждают кильватерное поле, второй час- ти– ускоряются, третьей части – снова возбуждают поле, четвертой части – ускоряются в поле, которое возбуждается третьей частью. Согласно этому, энер- гетический спектр электронов расширяется как в область малых энергий, так и в область энергий, больших начальной (см. Рис.6,б(2)). При этом СВЧ- сигнал (см. осциллограмму Рис.6,а) показывает по- вторяемые дважды рост и спад амплитуды поля. а б 25 Рис.6. Осциллограмма Еz-составляющей возбуж- даемого кильватерного поля (ω0>ωм, узкий спектр); б – энергетические спектры пучка: 1 – исходный спектр, 2 – после прохождения через структуру (резонатор) Таким образом, экспериментально показано, что использование расстройки между собственными частотами диэлектрического резонатора и частотой следования сгустков позволяет получать возбуж- дающие кильватерное поле сгустки и ускоряемые сгустки из одной и той же последовательности. Этот метод упрощает исследования концепции ускорите- ля на кильватерных полях, так как не требует до- полнительной инжекции ускоряемого сгустка с трудной проблемой выбора ускоряющей фазы на таких короткоимпульсных системах. 3.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ (Ε=9) С ВАКУУМНЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ПРОЛЕТНОГО КАНАЛА Измерения Еz-составляющей возбуждаемого поля на выходе из структуры, проведенные с помо- щью СВЧ-зонда, показали, что сигнал наблюдался и в отсутствие диэлектрика и составлял 0,36 В. С ди- электрическими пластинами он уменьшался до 0,13 В. Для объяснения этого экспериментального факта с помощью цилиндра Фарадея измерялась ве- личина тока прошедших сгустков. Оказалось, что через волновод без диэлектрика проходил весь ток сгустков, а при наличии диэлектрических пластин с ε=9 и шириной пролетного канала 16,4 мм через структуру проходило только 10% тока. Это свиде- тельствовало о практически полном перехвате тока из-за попадания электронов на стенки диэлектриче- ских плаcтин и возникновения на них запирающего сгустки электростатического заряда, в результате чего прекращалось возбуждение кильватерного поля. Обнаруженное после экспериментов изменение цвета диэлектрических пластин также свидетельствует о попадании электронных сгустков на пластины. Следует отметить, что в отличие от этого экспе- римента, проведенные ранее эксперименты [11] с диэлектрическими пластинами из фторопласта (ε=2,1) и волноводом с большим поперечным сече- нием 85×180 мм и шириной пролетного канала 41,6 мм, показали значительное увеличение ампли- туды возбуждаемого поля при наличии диэлектри- ческих пластин. Для этой диэлектрической структу- ры измерения прошедшего тока цилиндром Фарадея показали, что через структуру проходил весь ток. То есть ширина пролетного канала была достаточно большой для того, чтобы электроны сгустков не ка- сались внутренних стенок диэлектрических пластин. 3.3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ (Ε=9) С ПЛАЗМЕННЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ПРОЛЕТНОГО КАНАЛА Ранее нами было показано [12], что при выводе релятивистского электронного пучка из линейного резонансного ускорителя в атмосферу образуется плазма, с которой пучок эффективно взаимодейст- вует. При этом область резонансного плазменного образования, в которой плазменная частота близка к частоте следования сгустков (ωр = ωм), имеет длину около 150 мм. Поступая аналогично, мы провели исследование возбуждения кильватерных волн в волноводно-диэлектрической структуре прямо- угольного сечения (ε=9) в условиях, когда внутри пролетного канала находился воздух при атмосфер- ном давлении, который ионизируется проходящими сгустками релятивистских электронов. Измерения амплитуды Еz-составляющей возбу- ждаемого поля (Рис.7) показали, что при наличии плазмы в пролетном канале диэлектрической струк- туры амплитуда сигнала возбуждаемого поля увели- чивается в 20 раз по сравнению с амплитудой в ва- куумном случае. а б Рис.7. а – осциллограмма сигнала Еz-составляющей возбуждаемого поля (верхняя кривая) и тока пучка (нижняя кривая) в вакууме; б – осциллограмма сигнала Еz-составляющей возбуж- даемого поля при наличии плазмы (верхняя кривая) Осциллограммы, представленные на Рис.7 для вакуумного (Рис.7,а – чувствительность 50 мВ/дел) и плазменного (Рис.7,б – чувствительность 200 мВ/дел) вариантов, снимались одним и тем же ВЧ-зондом. При наличии плазмы сигнал дополни- тельно ослаблялся с помощью аттенюатора на 20 дБ. Увеличение амплитуды возбуждаемого поля при наличии плазмы дает основание предполагать, что образованная плазма, во-первых, компенсирует нако- пленный электростатический заряд на диэлектриче- ских пластинах и способствует хорошему прохожде- нию электронных сгустков через структуру и, во- вторых, изменяет топографию возбуждаемых полей и увеличивает связь сгустков с возбуждаемой волной. -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 E z a . u . L, cm 1 2 a Рис.8. Распределение Еz-составляющей поля по оси у. 1 – диэлектрическая структура (ε=9); 2 – волновод без диэлектрика Распределение Еz составляющей возбуждаемого поля по оси у представлено на Рис.8. В направлении вдоль пластин максимумы амплитуды поля наблю- даются не на оси системы, а симметрично оси на рас- стоянии 20…30 мм от оси. Подобное распределение наблюдалось и в экспериментах с диэлектрическими 26 пластинами при ε=2,1 и волноводом большого сече- ния [11]. Такого рода поперечная топография поля позволяет увеличить коэффициент трансформации в коллинеарных двухпучковых схемах ускорения при инжекции ускоряемого сгустка в область максималь- ной амплитуды возбуждаемого поля. Если в такой волновод поместить диэлектриче- ские пластины таких же размеров, но с ε=2.1, то ам- плитуда СВЧ-излучения становится меньше, чем в волноводе без диэлектрических пластин. Это проис- ходит в результате нарушения условий резонанса между собственной частотой диэлектрической струк- туры ω0 и частотой следования сгустков (ωм ≠ ω0). Следует отметить, что амплитуда СВЧ-излучения на выходе такой структуры с плазменным заполнени- ем и ε=9 (U=6 В) даже в условиях полуоткрытого вол- новода значительно больше, чем амплитуда СВЧ- излучения при наличии резонатора в структуре с ε=2,1. Как показали измерения тока цилиндром Фара- дея при токе пучка на выходе из ускорителя Ib=0,5 А, в условиях, когда образуется плазма, через структуру проходит 0,25 А, а в условиях вакуума – не более 0,05 А. Значительно большее увеличение амплитуды возбуждаемого поля по сравнению с увеличением тока можно объяснить тем, что при наличии плазмы в пролетном канале сгустки возбу- ждают кильватерное поле на всей длине диэлектри- ческих пластин, а в вакуумном случае эта длина значительно сокращается. Эффективное возбуждение полей в такой струк- туре сопровождается соответствующими значитель- ными потерями энергии электронных сгустков. На Рис.9,a приведены потемнения стеклянной пластины, вызванные облучением релятивистскими электрон- ными сгустками: на входе (1) и на выходе (2) диэлек- трической структуры. На Рис.9,б показаны кривые изменения плотности потемнения стеклянной пла- стины вдоль распространения пучка, по которым оп- ределяется экстраполированный пробег электронов, дающий возможность определить их энергию. Оцененные таким образом потери энергии элек- тронами сгустков, прошедшими через диэлектриче- скую структуру, составляют ≈ 30%. Кроме того, из рисунка видно, что размер сгустков увеличивается до размеров пролетного канала, что не исключает неполное прохождение канала сгустками и потерю тока в два раза. а б Рис.9. a – изменение потемнения стеклянной пла- стины, вызванное облучением релятивистскими электронными сгустками (1) – на входе и (2) – на выходе диэлектрической структуры, б – распреде- ления плотности потемнения по толщине стеклян- ной пластины вдоль оси распространения пучка Таким образом, наличие больших потерь энер- гии электронами сгустков и значительное увеличе- ние амплитуды СВЧ-колебаний на выходе структу- ры по сравнению со структурой с ε=2,1 свидетельст- вуют о возможности еще большего ускорения элек- тронов в таких полях. Такие эксперименты будут проведены в ближайшее время. ВЫВОДЫ Показана возможность увеличения интенсивно- сти возбуждаемого кильватерного поля последова- тельностью сгустков релятивистских электронов в диэлектрических структурах при наличии таких фи- зических факторов, как многобанчевость, многомо- довость и при использовании резонаторной концеп- ции. При создании плазмы в пролетном канале ди- электрической структуры прямоугольного сечения последовательностью сгустков релятивистских электронов амплитуда возбуждаемого кильватерно- го поля значительно увеличивается, что может быть объяснено компенсацией электростатического заря- да, образуемого электронным пучком при попада- нии на поверхность диэлектрика. Возможность повышения эффективности возбу- ждения кильватерного поля при совпадении частоты следования сгустков с частотой основной моды ди- электрической структуры и одновременно с плаз- менной частотой (двойной резонанс) заслуживает дальнейшего исследования. ЛИТЕРАТУРА 1. E. Сhojnack, W. Gay, P. Shoessow, J. Simpson. Accelerating Field Step-Up Transformer in Wake- Field Accelerator // IEEE. PAC. 1991, р.2557-2559. 2. M.C. Thompson, H. Badakov, G.T. Rozenzweig. Preliminary Results from the UCLA/SLAC Ultra- High Gradient Cerenkov Wakefield // Proceedings Trim Sise. UCRL-PROC-220696, 2006. 3. I.N. Onishchenko, V.A. Kiseljov, A.K. Berezin, et al. // Prok. Of the PAC. New York. 1995 (IEEE. New York, 1995). р.782. 4. T-B. Zhang, T.C. Marshall, J.L. Hirschfield, B. Hafizi // Phys. Rev. 1997, Е56, №4, р.4647-4655. 5. I.N. Onishchenko, D.Yu. Sidorenko, G.V. Sotnikov // Physical Review 2002, E 65, p.066501-1-11. 6. K.L.F. Bane and P.B. Wilson. Wakefield and wake- field acceleration. SLAC-PUB-3528. 1984. 7. T.C. Marshal, I.N. Onishchenko, N.I. Onishchenko, G.V. Sotnikov // VI Int. Workshop. V1 (Inst. of Ahhl. Phys. Rus. Ac. Sci., Nizhny Novgorod, 2006). р.277. 8. T.C. Marshal, J-M. Fang, J.L. Hirshfield, and S-Y. Park. Multimode, multi bunch dielectric wake- field resonator // 9th Workshop, edited by P.L. Colestock and S. Kelley. AIP Conf. Proc. 569, 2000, p.316-325. 9. В.А. Балакирев, И.Н. Онищенко, Д.Ю. Сидорен- ко, Г.В. Сотников // Письма в ЖТФ, 2003, т.29, в.14, с.39-45. 10. V.A. Kiselev, A.F. Linnik, T.C. Marshall, et al. // Strong microwave in plasma. N.: Novgorod, Russia. 2006, v.1, p.303-310. 27 28 11. V.A. Kiselev, A.F. Linnik, T.C. Marshall, et al. // 12th Advanced Accelerator Concepts Workshop. 10- 15 July 2006: AIP Conference Proceedings 2006, v.877, p.851-858. 12. A.K. Berezin, Ya.B. Fainberg, V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.V. Uskov, V.A. Balakirev, I.N. On- ishchenko, G.L. Sidel’nikov, and G.V. Sotnikov // Plasma Physics Reports, 1994, v.20, No.7, p.596- 602. Статья поступила в редакцию 01.10.2009 г. WAKEFIELD ACCELERATOR WITH HYBRID PLASMA-DIELECTRIC STRUCTURE OF RECTANGULAR CROSS-SECTION V.A. Kiselev, A.F. Linnik, V.I. Mirny, I.N. Onishchenko, V.V. Uskov Increase of wakefield intensity at its excitation by a long train of relativistic electron bunches in the rectangular dielectric structure when it is filled with plasma of resonant density was experimentally observed. The first portion of the bunches, produced by electron linac «Almaz-2», ionizes gas at atmospheric pressure so that plasma frequency becomes equal to bunch repetition frequency and to the frequency of principal eigen mode of the dielectric structure. Excitation enhancement at such resonant conditions is being studied taking into account the improvement of bunch train propagation in the transit channel caused by charge compensation with plasma and the electrodynamics change of the dielectric structure at filling with plasma. КІЛЬВАТЕРНИЙ ПРИСКОРЮВАЧ З ГІБРИДНОЮ ПЛАЗМОВО-ДІЕЛЕКТРИЧНОЮ СТРУКТУРОЮ ПРЯМОКУТНОГО ПЕРЕРІЗУ В.О. Кисельов, А.Ф. Лінник, В.І. Мирний, І.М. Оніщенко, В.В. Усков Експериментально спостерігається збільшення інтенсивності кільватерного поля при його збудженні по- слідовністю великого числа згустків релятивістських електронів в прямокутній діелектричній структурі, коли вона заповнюється плазмою резонансної густини. Перша порція згустків, отриманих на електронному лінаці «Алмаз-2», іонізує газ при атмосферному тискові, так що плазмова частота збігається з частотою слі- дування згустків і частотою основної моди діелектричної структури. Зростання ефективності збудження при таких умовах досліджується з врахуванням поліпшення проходження послідовності згустків через канал структури, яке викликане компенсацією просторового заряду плазмою, та змінами електродинаміки діелект- ричної структури при заповненні плазмою. WAKEFIELD ACCELERATOR WITH HYBRID PLASMA-DIELECTRIC STRUCTURE OF RECTANGULAR CROSS-SECTION
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15679
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:15:17Z
publishDate	2010
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Киселёв, В.А. Линник, А.Ф. Мирный, В.И. Онищенко, И.Н. Усков, В.В. 2011-01-31T13:23:45Z 2011-01-31T13:23:45Z 2010 Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения / В.А. Киселев, А.Ф. Линник, В.И. Мирный, И.Н. Онищенко, В.В. Усков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 23-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15679 533.9 Экспериментально исследуется кильватерный ускоритель, в котором для увеличения градиента ускоряющего кильватерного поля при его возбуждении длинной цепочкой сгустков релятивистских электронов в прямоугольной диэлектрической структуре пролетный канал для сгустков заполняется плазмой резонансной плотности. Первая порция сгустков, полученных на электронном линаке «Алмаз-2», ионизирует газ при атмосферном давлении, так что плазменная частота становится равной частоте следования сгустков и частоте основной моды диэлектрической структуры. Исследуемый рост эффективности возбуждения обусловлен улучшением прохождения цепочки сгустков через пролетный канал, благодаря компенсации пространственного заряда плазмой, и изменению электродинамики диэлектрической структуры при плазменном заполнении пролетного канала. Експериментально спостерігається збільшення інтенсивності кільватерного поля при його збудженні послідовністю великого числа згустків релятивістських електронів в прямокутній діелектричній структурі, коли вона заповнюється плазмою резонансної густини. Перша порція згустків, отриманих на електронному лінаці «Алмаз-2», іонізує газ при атмосферному тискові, так що плазмова частота збігається з частотою слідування згустків і частотою основної моди діелектричної структури. Зростання ефективності збудження при таких умовах досліджується з врахуванням поліпшення проходження послідовності згустків через канал структури, яке викликане компенсацією просторового заряду плазмою, та змінами електродинаміки діелектричної структури при заповненні плазмою. Increase of wakefield intensity at its excitation by a long train of relativistic electron bunches in the rectangular dielectric structure when it is filled with plasma of resonant density was experimentally observed. The first portion of the bunches, produced by electron linac «Almaz-2», ionizes gas at atmospheric pressure so that plasma frequency becomes equal to bunch repetition frequency and to the frequency of principal eigen mode of the dielectric structure. Excitation enhancement at such resonant conditions is being studied taking into account the improvement of bunch train propagation in the transit channel caused by charge compensation with plasma and the electrodynamics change of the dielectric structure at filling with plasma. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Физика и техника ускорителей Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения Кільватерний прискорювач з гібридною плазмово-діелектричною структурою прямокутного перерізу Wakefield accelerator with hybrid plasma-dielectric structure of rectangular cross-section Article published earlier
spellingShingle	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения Киселёв, В.А. Линник, А.Ф. Мирный, В.И. Онищенко, И.Н. Усков, В.В. Физика и техника ускорителей
title	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
title_alt	Кільватерний прискорювач з гібридною плазмово-діелектричною структурою прямокутного перерізу Wakefield accelerator with hybrid plasma-dielectric structure of rectangular cross-section
title_full	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
title_fullStr	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
title_full_unstemmed	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
title_short	Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
title_sort	кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения
topic	Физика и техника ускорителей
topic_facet	Физика и техника ускорителей
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15679
work_keys_str_mv	AT kiselevva kilʹvaternyiuskoritelʹsgibridnoiplazmennodiélektričeskoistrukturoiprâmougolʹnogosečeniâ AT linnikaf kilʹvaternyiuskoritelʹsgibridnoiplazmennodiélektričeskoistrukturoiprâmougolʹnogosečeniâ AT mirnyivi kilʹvaternyiuskoritelʹsgibridnoiplazmennodiélektričeskoistrukturoiprâmougolʹnogosečeniâ AT oniŝenkoin kilʹvaternyiuskoritelʹsgibridnoiplazmennodiélektričeskoistrukturoiprâmougolʹnogosečeniâ AT uskovvv kilʹvaternyiuskoritelʹsgibridnoiplazmennodiélektričeskoistrukturoiprâmougolʹnogosečeniâ AT kiselevva kílʹvaterniipriskorûvačzgíbridnoûplazmovodíelektričnoûstrukturoûprâmokutnogopererízu AT linnikaf kílʹvaterniipriskorûvačzgíbridnoûplazmovodíelektričnoûstrukturoûprâmokutnogopererízu AT mirnyivi kílʹvaterniipriskorûvačzgíbridnoûplazmovodíelektričnoûstrukturoûprâmokutnogopererízu AT oniŝenkoin kílʹvaterniipriskorûvačzgíbridnoûplazmovodíelektričnoûstrukturoûprâmokutnogopererízu AT uskovvv kílʹvaterniipriskorûvačzgíbridnoûplazmovodíelektričnoûstrukturoûprâmokutnogopererízu AT kiselevva wakefieldacceleratorwithhybridplasmadielectricstructureofrectangularcrosssection AT linnikaf wakefieldacceleratorwithhybridplasmadielectricstructureofrectangularcrosssection AT mirnyivi wakefieldacceleratorwithhybridplasmadielectricstructureofrectangularcrosssection AT oniŝenkoin wakefieldacceleratorwithhybridplasmadielectricstructureofrectangularcrosssection AT uskovvv wakefieldacceleratorwithhybridplasmadielectricstructureofrectangularcrosssection

Кильватерный ускоритель с гибридной плазменно-диэлектрической структурой прямоугольного сечения

Institution

Similar Items