Parametric beam instability in a crystal

Analysis of the optimal conditions for realization of X-ray free electron laser is considered for the case when an electron beam radiates in a crystal. It is shown that the use of the parametric X-ray radiation under the condition of multi-wave diffraction allows essential decreasing of the value...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2006
Автор: Feranchuk, I.D.
Формат: Стаття
Мова:Англійська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78768
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Parametric beam instability in a crystal / I.D. Feranchuk // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 67-69. — Бібліогр.: 7 назв. —англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859734545163616256
author Feranchuk, I.D.
author_facet Feranchuk, I.D.
citation_txt Parametric beam instability in a crystal / I.D. Feranchuk // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 67-69. — Бібліогр.: 7 назв. —англ.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Analysis of the optimal conditions for realization of X-ray free electron laser is considered for the case when an electron beam radiates in a crystal. It is shown that the use of the parametric X-ray radiation under the condition of multi-wave diffraction allows essential decreasing of the value of threshold beam density for the coherent generation. Estimation for the critical current density for the coherent X-ray generation in some crystals is also obtained. Анализ оптимальных условий для реализации рентгеновского лазера на свободных электронах проведен в случае, когда электроны излучают в кристалле. Показано, что использование параметрического рентгеновского излучения в условиях многоволновой дифракции позволяет существенно уменьшить величину пороговой плотности пучка для получения когерентного излучения. Получена также оценка для критической плотности для когерентной генерации рентгеновского излучения в некоторых кристаллах Аналіз оптимальних умов для реалізації рентгенівського лазера на вільних електронах проведений у випадку, коли електрони випромінюють у кристалі. Показано, що використання параметричного рентгенівського випромінювання в умовах багатохвильової дифракції дозволяє істотно зменшити величину порогової густини пучка для одержання когерентного випромінювання. Отримана також оцінка критичної густини для когерентної генерації рентгенівського випромінювання в деяких кристалах.
first_indexed 2025-12-01T14:38:12Z
format Article
fulltext PARAMETRIC BEAM INSTABILITY IN A CRYSTAL I.D. Feranchuk Belarussian State University, 220050, Minsk, Belarus Phone: +375-17-2095508, E-mail:fer@open.by Analysis of the optimal conditions for realization of X-ray free electron laser is considered for the case when an electron beam radiates in a crystal. It is shown that the use of the parametric X-ray radiation under the condition of multi-wave diffraction allows essential decreasing of the value of threshold beam density for the coherent genera- tion. Estimation for the critical current density for the coherent X-ray generation in some crystals is also obtained. PACS: 42.55.V 1. INTRODUCTION Different mechanisms of induced X-ray radiation are thoroughly studied, which may serve as a basis for con- struction of an X-ray laser, operating within the 10… 100 keV range. Various types of free electron lasers, us- ing the Compton scattering of a light wave by an elec- tron beam, resonance transition radiation, channeling particle radiation have been considered. The analysis of the obstacles revealed that large current densities j > 1013 A/cm2 of relativistic electrons is necessary to real- ize the induced radiation mode. This fact stands the question mark on the possibility of the X-ray coherent generation within the mentioned range. The emission from charged particles in a crystal to the large angles to the particle velocity has been shown [1]–[4] to provide a radical change in a gain of the radiation and reduce the required current density for generation launch to the val- ues j ~ 108 A/cm2, which makes possible the develop- ment of PXR FEL). This possibility follows from the re- cently discovered law of parametric beam instability [1]–[4], which occurs when an electron (positron) beam passes through a crystal. The instability leads to a dras- tic increase of the coefficient of induced radiation in the crystal and reduces the threshold current for the genera- tion start. The more detailed theory of this phenomenon is considered in [5]. 2. EQUATIONS FOR FIELD AND DENSITY WAVES The classic approach to the electron movement as- sumes the Maxwell’s equations for the description of the interaction between charged particle and wave fields of radiation, and crystal. Keeping in mind the X-ray diffraction of emitted photons in the framework of two- wave approximation, these equations are: 2 2 2 02 2 2 4( ) ( ) ж ц з ч з ч , , − ,з чз ч и ш − − − = , ,k kE k kE E j kg g ik c c cω ω ω ω ω π ωε χ ω 2 2 0 g g2 2 2 2 ( ) 4 ( ) ж ц з ч з ч , ,з чз ч и ш , − − − − = , ,k E k k E E j k g g g g g k c i c c ω ω ω ω ε ω π ωχ ω 0 k gk( E E ) 4 (k ), − ,+ = , ,g inω ωε χ π ω 0 g kk ( E E ) 4 (k ), ,+ = , ,g g ginω ωε χ π ω (1) 0 01 (k ) kj(k ) 0= + , , + , = .nε χ ω ω ω Here ,kE ω is the amplitude of direct wave and g ,E ω − of diffracted wave with vector = +k k gg , ( ),kn ω and ( ),j k ω are Fourier-components of charge density and current of beam, respectively: i( )( ) e ( )−, = , ,т krk r rtn d dt n tωω ( ) [ ( )] ( ) ( ) [ ( )] , = − , , = − , е е r r r j r v r r j j j j j n t e t t e t t δ δ (2) for electrons on the trajectory ( )r j t . To analyze the influence of the diffraction on the in- stability, we separate the amplitudes of transverse ( )s tE (polarization es , = ,s σ π ) and longitudinal ( )s lE elec- tromagnetic waves. The longitudinal component creates also a wave with charge density: ( )4 ( ) ( ), = − , .k ks ln kEπ ω ω The Maxwell’s equations (1) have to be supplement- ed by motion equations for electron in electromagnetic field ( ( ) ),rjE t t which should be solved in linear ap- proximation ( 2 2 21= − /u cγ ) and for a primary homoge- neous beam: 0i( ) 3e (2 ) ( ) ў ў= , = ,е k-k r k - kj b b j Jn n ecS π δ (3) where bn is an electron density of the beam of current J and cross-section S . Then the following closed lin- ear equation system for transverse and longitudinal wave fields is found for two-wave diffraction: 2 2 2 (s) ( ) 2 ( ) 0 tt g 2 (s) ( ) tl { [ ( )]} ( ) , − , , − + − = = , k k k E k s s t g s t s l k c E C E ω ε χ ω χ ω χ 2 2 2 (s) ( ) 2 ( ) 0 tt g g 2 (s) ( ) tl { [ ( )]} ( ) , , , − + − = = ,k k E k g s s g g t g s t s g l k c E C E ω ε χ ω χ ω χ 2 2 (s) ( ) 2 (s) ( ) ll lt{( ) } ( ) ,, ,− − =k kku ks s l lE Eω ω χ ω χ (4) (s) tlχ is a tensor of beam polarizability, which is physi- cally analogous to crystal polarizability: 2 2 2 (s) (s) tt tl2 2 3 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) й щ = − − , = − ,к ъ−л ы e uk k e u ku b s b sk c ω ω ω χ χ γ ω ω γ ω ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.67-69. 67 2 2 (s) ll 2 2 2 2 (s) lt 2 2 ( )( ) 1 ( )( ) ( )[ ] й щ = − ,к ъ л ы = − , kuk kuk e u b b s k c k kc ω χ γ ω ω χ ωγ ω 2 2 4 = .b b e n m π ω (5) 3. CALCULATION OF THE INCREMENT The determinant of (5) delivers a dispersion equation for k and ω . For relativistic particles, the terms with ( )− kuω in denominator are essential, whereas the terms with 1( )−− k ugω are negligible. Thus, the disper- sion equation is: 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 0 0 2 2 2 2 2 2 2 02 2 cos ( ) м ь п пп п н э−п п п по ю й щй щ − + − + − =к ъ к ъ л ы л ы й щж ц− − − + єк ъз ч− и шл ыku b b g s g g b b g k c k c C u uk k k c c ω ω ω ε ω ε ω χ χ γ γ ω ωω θθ ω ε γγ ω 2 ( ) ( ) , .є − ku zA k ω ω (6) Here 1θ < < is an angle between k and beam velocity u , the latter corresponds to axis Z . The most essential influence on the dispersion equation is exerted by varia- tion of current due to the work of longitudinal compo- nent of radiation field performed under the beam parti- cles (the right part of Eq.(6)). The solution of non-linear dispersion equation (6) is localized in the intersection of dispersion equations, corresponding to the wave fields of radiation in the crystal and radiation of the spatial charged beam. The coordinates 0zk and 0ω of this in- tersection are found from: 2 2 2 2 2 2 4 2 0 0[ ][ ] ( )м ь н э−о ю − − − , ,єg s g g zk c k c C D kω ε ω ε ω χ χ ω 2( ) 0− = .kuω (7) The frequency and wave vector of radiation have to satisfy the diffraction conditions at the moment of PXR emission, and therefore: 0 0(1 ) (1 ) 1z B Bk k ukδ ω δ δ= + , = + , | | < < , (8) with Bk determined from the Bragg condition for the excited reciprocal lattice vector 22 ( )sin sin ⊥ ⊥ + = − , = , k g gu B B B gk g gu θ θ (9) where deviation δ is: 2( ) 2 ( ) − − + = , + g gχ χ η ξ δ ν η ξ (10) 2 2 2 02 sin −⊥= − , = ≈ , = − .B B B g k k k θ ν η θ ξ γ χ Accordingly to general method for instability analy- sis, the solution of dispersion equation (6) may be found as an expansion series over the detuning of ўω and ў zk near the point (8). For arbitrary crystal orientation and radiation angle like for homogeneous medium Eq.(6) leads to an ampli- fication coefficient on the unity length, i.e. the gain: 1 z[ ] Im (k )cm − = ,G which is the principal characteristics of FEL. The fol- lowing expression G for parametric beam instability can be found: 1 3 0 2 2 2 0 3 2 [ (1 )( ) ] / − − ж ц = ,з чз ч+ + +и ш g g z g g Q G u c k ω χ χ χ χ ν η ξ 2 2 2 2 0 0 0 0 ( cos ) 2 − / = − .b u k k u cQ ω θ ω θ ω γ (11) Contrary to the Cherenkov instability in homoge- neous medium, the amplification coefficient in 3D peri- odic medium depends essentially on crystal material and orientation that is a direct way to gain an interaction be- tween radiation and electron beam. The geometry of emission, when: 1 2 02 1 cos 2 / й щ| | = − − | | ,к ъ | |к ъл ы g B χ θ χ γθ 2 2 2 0 1 2sin 1 ( ) − −< < + , + | | g g B χ χ θ γ χ (12) the diffracted wave in this case is traveling at the angle ~ 90o , to the beam velocity: 2 2 = + ,B πθ ψ 2 2 0 sin 2 sin 2 ( ) g g B B χ χ θ θ ψ θ θ γ χ − −< < + + | | . (13) Additionally to the longitudinal component, the transverse component of a diffracted wave becomes par- allel to electron velocity in this case and performs a sup- plemental work on beam modulation (bunching). For the optimal case of small detuning 0ў →ω , the gain of parametric instability is: 1 4 0 1 2cos 2 / / | |ж ц = .з ч| |и ш g B Q G ω χ θ (14) Thus, at certain choice of 3D crystal parameters, the dependence of the amplification coefficient on the parti- cle density in beam can qualitatively be changed, in comparison to the homogeneous medium: 1 3 1 4/ /→b bn n . Taking into consideration the inequality 3Qω <<1, which is fulfilled for the current in real devices, the change in power degree influences significantly on G . Later on [4], the influence of quantum effects on insta- bility increment has been studied, and N -wave diffrac- tion is shown to increase the increment due to the de- pendence: 1 ( 2)~ ( ) N bG n / + . Under the conditions of multiwave diffraction, the generation threshold is proved to be reduced due to the phenomenon of the parametric beam instability. This fact makes it possible to observe an induced PXR radia- tion as well as induced channelling radiation in LiH crystal at electron beam current density j ~ 108 A/cm2, and energy from tens to hundreds MeV. Basing on these investigations, a new type of FEL has been proposed, named a volume free electron laser (VFEL) [6]. The first lasing of VFEL in millimeter 58 wavelength range was observed in 2001 [7]. This work is supported by International Scientific and Technical Center (project B-626). REFERENCES 1. V.G. Baryshevsky and I.D. Feranchuk // Doklady Belarussian Akademii Nauk. 1983, v.27, p.995. 2. V.G. Baryshevsky and I.D. Feranchuk // Doklady Belarussian Akademii Nauk. 1984, v.28, p.336. 3. V.G. Baryshevsky and I.D. Feranchuk // Phys. Lett. 1984, v.102 A, p.141. 4. V.G. Baryshevsky and I.D. Feranchuk // Izvestiya Belarussian Akademii Nauk. Ser. fiz-mat nauk. 1985, v.2, p.79. 5. V. Baryshevsky, I. Feranchuk, A. Ulyanenkov. Parametric X-ray Radiation in Crystals, (Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 2005). 6. V.G. Baryshevsky // Nucl. Instrum. and Methods. 2000, v.A445, p.281. 7. V.G. Baryshevsky, K.G. Batrakov, A.A. Guri- novich al. // Nucl. Instrum. and Methods. 2002, v.A483, p.21. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ПУЧКОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В КРИСТАЛЛЕ И.Д. Феранчук Анализ оптимальных условий для реализации рентгеновского лазера на свободных электронах проведен в случае, когда электроны излучают в кристалле. Показано, что использование параметрического рентге- новского излучения в условиях многоволновой дифракции позволяет существенно уменьшить величину по- роговой плотности пучка для получения когерентного излучения. Получена также оценка для критической плотности для когерентной генерации рентгеновского излучения в некоторых кристаллах. ПАРАМЕТРИЧНА ПУЧКОВА НЕСТІЙКІСТЬ У КРИСТАЛІ І.Д. Феранчук Аналіз оптимальних умов для реалізації рентгенівського лазера на вільних електронах проведений у випадку, коли електрони випромінюють у кристалі. Показано, що використання параметричного рентгенівського випромінювання в умовах багатохвильової дифракції дозволяє істотно зменшити величину порогової густини пучка для одержання когерентного випромінювання. Отримана також оцінка критичної густини для когерентної генерації рентгенівського випромінювання в деяких кристалах. ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.67-69. 67 1. INTRODUCTION 2. EQUATIONS FOR FIELD AND DENSITY WAVES 3. CALCULATION OF THE INCREMENT REFERENCES ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ПУЧКОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В КРИСТАЛЛЕ
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78768
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language English
last_indexed 2025-12-01T14:38:12Z
publishDate 2006
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Feranchuk, I.D.
2015-03-20T20:06:12Z
2015-03-20T20:06:12Z
2006
Parametric beam instability in a crystal / I.D. Feranchuk // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 67-69. — Бібліогр.: 7 назв. —англ.
1562-6016
PACS: 42.55.V
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78768
Analysis of the optimal conditions for realization of X-ray free electron laser is considered for the case when an electron beam radiates in a crystal. It is shown that the use of the parametric X-ray radiation under the condition of multi-wave diffraction allows essential decreasing of the value of threshold beam density for the coherent generation. Estimation for the critical current density for the coherent X-ray generation in some crystals is also obtained.
Анализ оптимальных условий для реализации рентгеновского лазера на свободных электронах проведен в случае, когда электроны излучают в кристалле. Показано, что использование параметрического рентгеновского излучения в условиях многоволновой дифракции позволяет существенно уменьшить величину пороговой плотности пучка для получения когерентного излучения. Получена также оценка для критической плотности для когерентной генерации рентгеновского излучения в некоторых кристаллах
Аналіз оптимальних умов для реалізації рентгенівського лазера на вільних електронах проведений у випадку, коли електрони випромінюють у кристалі. Показано, що використання параметричного рентгенівського випромінювання в умовах багатохвильової дифракції дозволяє істотно зменшити величину порогової густини пучка для одержання когерентного випромінювання. Отримана також оцінка критичної густини для когерентної генерації рентгенівського випромінювання в деяких кристалах.
This work is supported by International Scientific and Technical Center (project B-626).
en
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Линейные ускорители заряженных частиц
Parametric beam instability in a crystal
Параметрическая пучковая неустойчивость в кристалле
Параметрична пучкова нестійкість у кристалі
Article
published earlier
spellingShingle Parametric beam instability in a crystal
Feranchuk, I.D.
Линейные ускорители заряженных частиц
title Parametric beam instability in a crystal
title_alt Параметрическая пучковая неустойчивость в кристалле
Параметрична пучкова нестійкість у кристалі
title_full Parametric beam instability in a crystal
title_fullStr Parametric beam instability in a crystal
title_full_unstemmed Parametric beam instability in a crystal
title_short Parametric beam instability in a crystal
title_sort parametric beam instability in a crystal
topic Линейные ускорители заряженных частиц
topic_facet Линейные ускорители заряженных частиц
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78768
work_keys_str_mv AT feranchukid parametricbeaminstabilityinacrystal
AT feranchukid parametričeskaâpučkovaâneustoičivostʹvkristalle
AT feranchukid parametričnapučkovanestíikístʹukristalí