Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators
At Institute of Plasma Electronics and New Methods of the Acceleration of NSC KIPT the experimental inspection of the principles of creation of multi-bunch and the multimode wakefield dielectric accelerator is carried out. For clearing up of the physical processes arising in case of excitation the w...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81206 |
| 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: | Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators / P.I. Markov, V.A. Kiselev, R.R. Kniaziev, I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 97-100. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81206 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Markov, P.I. Kiselev, V.A. Kniaziev, R.R. Onishchenko, I.N. Sotnikov, G.V. 2015-05-13T15:59:31Z 2015-05-13T15:59:31Z 2014 Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators / P.I. Markov, V.A. Kiselev, R.R. Kniaziev, I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 97-100. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 41.75.Ht, 41.75.Lx, 41.75.Jv, 96.50.Pw, 533.9. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81206 At Institute of Plasma Electronics and New Methods of the Acceleration of NSC KIPT the experimental inspection of the principles of creation of multi-bunch and the multimode wakefield dielectric accelerator is carried out. For clearing up of the physical processes arising in case of excitation the wakefield and dynamics of electron bunches in such accelerator we executed a series of analytical and numerical calculations, and also full three-dimensional simulation by means of the developed 3D code is carried out. Wakefields were excited in case of injection of sequence of electron bunches in a rectangular vacuum wave guide of R32 type (72.14 ×34.04 mm) or R26 type (86.36 ×43.18 mm), filled with dielectric with the relative dielectric permittivity ε = 3.8, covering two opposite wide walls of a waveguide. The bunch repetition frequency was 2,805 GHz, energy of electrons was 4.5 MeV, average current was 0.73 A and a charge of one bunch was 0.26 nC. The electron bunches arriving through an open input end of a dielectric waveguide were deviated by a cross magnetic field of permanent magnets to a metal wall of waveguide free of dielectric. Depending on the location of magnets along a structure axis the length of interaction of electron bunches with a dielectric waveguide varied. Experimentally the linear dependence of the electric field value excited by bunches, near an output end of a semi-limited dielectric waveguide versus the interaction length is found. The 3D modeling executed by us researched possibility of the growing dependence of amplitude of a longitudinal electric field found in experiment at an output end of a waveguide from interaction length. The chronology of longi-tudinal electric field near output end on axis of system was probed and it spectral characteristic were analyzed too. The carried out researches allowed to better understanding the physical processes happening in the wakefield dielectric accelerator. В ХФТИ выполнена экспериментальная проверка принципов создания многосгусткового и многомодового кильватерного диэлектрического ускорителя. Кильватерные поля возбуждались при инжекции последовательности электронных сгустков в прямоугольном вакуумном волноводе типа R32 (72,14×34,04 мм) или типа R26 (86,36×43,18 мм), заполненном диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 3.8, покрывающем две противоположные широкие стенки волновода. Частота повторения сгустков составляла 2,805 ГГц, энергия электронов была 4,5 MэВ, заряд одного сгустка составлял 0,26 нКл. Электронные сгустки, поступающие через открытый входной торец диэлектрического волновода, отклонялись поперечным магнитным полем постоянных магнитов к металлической стене волновода, свободной от диэлектрика. В зависимости от расположения магнитов вдоль оси структуры изменялась длина взаимодействия электронных сгустков с прямоугольным диэлектрическим волноводом. Выполненное нами 3D-моделирование показало линейный рост амплитуды продольного электрического поля на выходном торце волновода с длиной взаимодействия, что находится в хорошем соответствии с экспериментально полученной зависимостью. Исследовались хронологические зависимости продольного электрического поля вблизи выходного торца волновода на оси системы, получены и проанализированы спектральные характеристики колебаний поля. Проведенные исследования приводят к лучшему пониманию физических процессов, происходящих в кильватерном диэлектрическом ускорителе. У ХФТІ виконана експериментальна перевірка принципів створення багатозгусткового й багатомодового кільватерного діелектричного прискорювача. Кільватерні поля збуджувалися при інжекції послідовності електронних згустків у прямокутному вакуумному хвилеводі типу R32 (72,14×34,04мм) або типу R26 (86,36×43,18 мм), заповненому діелектриком з відносною діелектричною проникністю ε = 3.8, що покриває дві протилежні широкі стінки хвилеводу. Частота повторення згустків становила 2,805 ГГц, енергія електронів була 4,5 MеВ, заряд одного згустка становив 0,26 нКл. Електронні згустки, що надходили через відкритий вхідний торець діелектричного хвилеводу, відхилялися поперечним магнітним полем постійних магнітів до металевої стіни хвилеводу, вільної від діелектрика. Залежно від розташування магнітів уздовж осі структури змінювалася довжина взаємодії електронних згустків із прямокутним діелектричним хвилеводом. Виконане нами 3D-моделювання показало лінійне зростання амплітуди поздовжнього електричного поля на вихідному торці хвилеводу з довжиною взаємодії, що перебуває в гарній відповідності до експериментально отриманої залежності. Досліджувалися хронологічні залежності поздовжнього електричного поля поблизу вихідного торця хвилеводу на осі системи, отримані й проаналізовані спектральні характеристики коливань поля. Проведені дослідження призводять до кращого розуміння фізичних процесів, що відбуваються в кільватерному діелектричному прискорювачі. This study is supported by Global Initiatives for Proliferation Prevention (GIPP) program, project ANL-T2- 247-UA (STCU Agreement P522). en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Плазменная электроника Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators Исследование кильватерных полей в продольно и поперечно неоднородных прямоугольных диэлектрических резонаторах Дослідження кільватерних полів у поздовжньо й поперечно неоднорідних прямокутних діелектричних резонаторах Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| spellingShingle |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators Markov, P.I. Kiselev, V.A. Kniaziev, R.R. Onishchenko, I.N. Sotnikov, G.V. Плазменная электроника |
| title_short |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| title_full |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| title_fullStr |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| title_full_unstemmed |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| title_sort |
study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators |
| author |
Markov, P.I. Kiselev, V.A. Kniaziev, R.R. Onishchenko, I.N. Sotnikov, G.V. |
| author_facet |
Markov, P.I. Kiselev, V.A. Kniaziev, R.R. Onishchenko, I.N. Sotnikov, G.V. |
| topic |
Плазменная электроника |
| topic_facet |
Плазменная электроника |
| publishDate |
2014 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Исследование кильватерных полей в продольно и поперечно неоднородных прямоугольных диэлектрических резонаторах Дослідження кільватерних полів у поздовжньо й поперечно неоднорідних прямокутних діелектричних резонаторах |
| description |
At Institute of Plasma Electronics and New Methods of the Acceleration of NSC KIPT the experimental inspection of the principles of creation of multi-bunch and the multimode wakefield dielectric accelerator is carried out. For clearing up of the physical processes arising in case of excitation the wakefield and dynamics of electron bunches in such accelerator we executed a series of analytical and numerical calculations, and also full three-dimensional simulation by means of the developed 3D code is carried out. Wakefields were excited in case of injection of sequence of electron bunches in a rectangular vacuum wave guide of R32 type (72.14 ×34.04 mm) or R26 type (86.36 ×43.18 mm), filled with dielectric with the relative dielectric permittivity ε = 3.8, covering two opposite wide walls of a waveguide. The bunch repetition frequency was 2,805 GHz, energy of electrons was 4.5 MeV, average current was 0.73 A and a charge of one bunch was 0.26 nC. The electron bunches arriving through an open input end of a dielectric waveguide were deviated by a cross magnetic field of permanent magnets to a metal wall of waveguide free of dielectric. Depending on the location of magnets along a structure axis the length of interaction of electron bunches with a dielectric waveguide varied. Experimentally the linear dependence of the electric field value excited by bunches, near an output end of a semi-limited dielectric waveguide versus the interaction length is found. The 3D modeling executed by us researched possibility of the growing dependence of amplitude of a longitudinal electric field found in experiment at an output end of a waveguide from interaction length. The chronology of longi-tudinal electric field near output end on axis of system was probed and it spectral characteristic were analyzed too. The carried out researches allowed to better understanding the physical processes happening in the wakefield dielectric accelerator.
В ХФТИ выполнена экспериментальная проверка принципов создания многосгусткового и многомодового кильватерного диэлектрического ускорителя. Кильватерные поля возбуждались при инжекции последовательности электронных сгустков в прямоугольном вакуумном волноводе типа R32 (72,14×34,04 мм) или типа R26 (86,36×43,18 мм), заполненном диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 3.8, покрывающем две противоположные широкие стенки волновода. Частота повторения сгустков составляла 2,805 ГГц, энергия электронов была 4,5 MэВ, заряд одного сгустка составлял 0,26 нКл. Электронные сгустки, поступающие через открытый входной торец диэлектрического волновода, отклонялись поперечным магнитным полем постоянных магнитов к металлической стене волновода, свободной от диэлектрика. В зависимости от расположения магнитов вдоль оси структуры изменялась длина взаимодействия электронных сгустков с прямоугольным диэлектрическим волноводом. Выполненное нами 3D-моделирование показало линейный рост амплитуды продольного электрического поля на выходном торце волновода с длиной взаимодействия, что находится в хорошем соответствии с экспериментально полученной зависимостью. Исследовались хронологические зависимости продольного электрического поля вблизи выходного торца волновода на оси системы, получены и проанализированы спектральные характеристики колебаний поля. Проведенные исследования приводят к лучшему пониманию физических процессов, происходящих в кильватерном диэлектрическом ускорителе.
У ХФТІ виконана експериментальна перевірка принципів створення багатозгусткового й багатомодового кільватерного діелектричного прискорювача. Кільватерні поля збуджувалися при інжекції послідовності електронних згустків у прямокутному вакуумному хвилеводі типу R32 (72,14×34,04мм) або типу R26 (86,36×43,18 мм), заповненому діелектриком з відносною діелектричною проникністю ε = 3.8, що покриває дві протилежні широкі стінки хвилеводу. Частота повторення згустків становила 2,805 ГГц, енергія електронів була 4,5 MеВ, заряд одного згустка становив 0,26 нКл. Електронні згустки, що надходили через відкритий вхідний торець діелектричного хвилеводу, відхилялися поперечним магнітним полем постійних магнітів до металевої стіни хвилеводу, вільної від діелектрика. Залежно від розташування магнітів уздовж осі структури змінювалася довжина взаємодії електронних згустків із прямокутним діелектричним хвилеводом. Виконане нами 3D-моделювання показало лінійне зростання амплітуди поздовжнього електричного поля на вихідному торці хвилеводу з довжиною взаємодії, що перебуває в гарній відповідності до експериментально отриманої залежності. Досліджувалися хронологічні залежності поздовжнього електричного поля поблизу вихідного торця хвилеводу на осі системи, отримані й проаналізовані спектральні характеристики коливань поля. Проведені дослідження призводять до кращого розуміння фізичних процесів, що відбуваються в кільватерному діелектричному прискорювачі.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81206 |
| citation_txt |
Study of wakefields in longitudinally and transversely inhomogeneous rectangular dielectric resonators / P.I. Markov, V.A. Kiselev, R.R. Kniaziev, I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 97-100. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT markovpi studyofwakefieldsinlongitudinallyandtransverselyinhomogeneousrectangulardielectricresonators AT kiselevva studyofwakefieldsinlongitudinallyandtransverselyinhomogeneousrectangulardielectricresonators AT kniazievrr studyofwakefieldsinlongitudinallyandtransverselyinhomogeneousrectangulardielectricresonators AT onishchenkoin studyofwakefieldsinlongitudinallyandtransverselyinhomogeneousrectangulardielectricresonators AT sotnikovgv studyofwakefieldsinlongitudinallyandtransverselyinhomogeneousrectangulardielectricresonators AT markovpi issledovaniekilʹvaternyhpoleivprodolʹnoipoperečnoneodnorodnyhprâmougolʹnyhdiélektričeskihrezonatorah AT kiselevva issledovaniekilʹvaternyhpoleivprodolʹnoipoperečnoneodnorodnyhprâmougolʹnyhdiélektričeskihrezonatorah AT kniazievrr issledovaniekilʹvaternyhpoleivprodolʹnoipoperečnoneodnorodnyhprâmougolʹnyhdiélektričeskihrezonatorah AT onishchenkoin issledovaniekilʹvaternyhpoleivprodolʹnoipoperečnoneodnorodnyhprâmougolʹnyhdiélektričeskihrezonatorah AT sotnikovgv issledovaniekilʹvaternyhpoleivprodolʹnoipoperečnoneodnorodnyhprâmougolʹnyhdiélektričeskihrezonatorah AT markovpi doslídžennâkílʹvaternihpolívupozdovžnʹoipoperečnoneodnorídnihprâmokutnihdíelektričnihrezonatorah AT kiselevva doslídžennâkílʹvaternihpolívupozdovžnʹoipoperečnoneodnorídnihprâmokutnihdíelektričnihrezonatorah AT kniazievrr doslídžennâkílʹvaternihpolívupozdovžnʹoipoperečnoneodnorídnihprâmokutnihdíelektričnihrezonatorah AT onishchenkoin doslídžennâkílʹvaternihpolívupozdovžnʹoipoperečnoneodnorídnihprâmokutnihdíelektričnihrezonatorah AT sotnikovgv doslídžennâkílʹvaternihpolívupozdovžnʹoipoperečnoneodnorídnihprâmokutnihdíelektričnihrezonatorah |
| first_indexed |
2025-11-27T00:24:16Z |
| last_indexed |
2025-11-27T00:24:16Z |
| _version_ |
1850788229115019264 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2014, №6. Series: Plasma Physics (20), p. 97-100. 97
STUDY OF WAKEFIELDS IN LONGITUDINALLY AND
TRANSVERSELY INHOMOGENEOUS RECTANGULAR DIELECTRIC
RESONATORS
P.I. Markov, V.A. Kiselev, R.R. Kniaziev, I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov
National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine
E-mail: pmarkov@kipt.kharkov.ua
At Institute of Plasma Electronics and New Methods of the Acceleration of NSC KIPT the experimental inspec-
tion of the principles of creation of multi-bunch and the multimode wakefield dielectric accelerator is carried out.
For clearing up of the physical processes arising in case of excitation the wakefield and dynamics of electron bunch-
es in such accelerator we executed a series of analytical and numerical calculations, and also full three-dimensional
simulation by means of the developed 3D code is carried out. Wakefields were excited in case of injection of se-
quence of electron bunches in a rectangular vacuum wave guide of R32 type (72.14 ×34.04 mm) or R26 type
(86.36 ×43.18 mm), filled with dielectric with the relative dielectric permittivity 3.8 , covering two opposite
wide walls of a waveguide. The bunch repetition frequency was 2,805 GHz, energy of electrons was 4.5 MeV, aver-
age current was 0.73 A and a charge of one bunch was 0.26 nC. The electron bunches arriving through an open input
end of a dielectric waveguide were deviated by a cross magnetic field of permanent magnets to a metal wall of
waveguide free of dielectric. Depending on the location of magnets along a structure axis the length of interaction of
electron bunches with a dielectric waveguide varied. Experimentally the linear dependence of the electric field value
excited by bunches, near an output end of a semi-limited dielectric waveguide versus the interaction length is found.
The 3D modeling executed by us researched possibility of the growing dependence of amplitude of a longitudinal
electric field found in experiment at an output end of a waveguide from interaction length. The chronology of longi-
tudinal electric field near output end on axis of system was probed and it spectral characteristic were analyzed too.
The carried out researches allowed to better understanding the physical processes happening in the wakefield dielec-
tric accelerator.
PACS: 41.75.Ht, 41.75.Lx, 41.75.Jv, 96.50.Pw, 533.9.
INTRODUCTION
Wakefields excited when relativistic electron bunch-
es are injecting in dielectric waveguide or plasma filled
waveguide (or their combination) may be used for elec-
trons acceleration in perspective two-beam accelerator
methods, or for obtaining short-wave radiation. That is
why research of wakefield or in other words estimation
of it amplitude and spectral composition has a great
interest.
For a given type of waveguide, dielectric permittivi-
ty and electron beam injected in it a wakefield ampli-
tude will be higher if the interaction length of electrons
with dielectric waveguide will be greater. One way of
varying of interaction length lies in changing the length
of a dielectric waveguide. This method gives nonlinear
dependence of wakefield amplitude on a dielectric
length [1]. Another way that gives a rectangular dielec-
tric waveguide for varying of interaction length consists
in deviation of electrons on a side wall of waveguide
free of dielectric at different distances from input edge
by permanent magnets. Wakefield amplitude on interac-
tion length in this method has rather linear depend-
ence [1].
Wakefield dielectric structure can operate in mono-
chromatic regime and multimode regime [2, 3]. Opera-
tion in multimode regime allows increasing amplitude
of wakefields.
In this work we describe the results of 3D-PIC simu-
lation of wakefields excitation and particles dynamics
when train of relativistic electron bunches are injected
in rectangular dielectric waveguide or resonator boxed
in magnetic deflection field.
STATEMENT OF THE PROBLEM
Rectangular dielectric waveguide represents the metal
waveguide having the cross sizes ab with two dielec-
tric slabs (dielectric permittivity is equal to ), covering
opposite wide walls of a waveguide. Dielectric slabs are
shifted from the input end of waveguide for a dis-
tance
shz . Waveguide is boxed in magnetic deflection
field formed by permanent magnets placed around wide
walls (Fig. 1). Electron bunches passing through a slow-
wave structure excite the wakefield which we examined.
Parameters of bunches in numerical calculations were
chosen corresponding to the experimental installation
"Almaz-2".
Fig. 1. Schematic view of a rectangular dielectric wave-
guide. Yellow bricks show dielectric slabs, blue cylinder
shows electron bunch
98 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
For numerical simulation dielectric slab dimensions
for given bunches and waveguide were calculated using
theory of excitation of multizone dielectric waveguides
[4, 5] and consideration expounded in [6]. In table pa-
rameters used in calculation are given.
Parameters used in calculation
Waveguide R32 R26
Dimensions (a×b), mm 34.04×72.14 45.00×90.00
Operating frequency, GHz 5.594 2.802
Slab dimensions (are located
along wide wall of a wave-
guide) , mm
5.7×72.14 15.3×90.00
Full waveguide length L 49.18 cm
Slab length Ld 42.54 cm (3λd)
Shift of dielectric plates from
an input end zsh
6.64 cm (λvac /2)
Relative dielectric constant ε 3.8 (quartz)
Bunch energy E0 4.5 MeV
Total bunch charge 0.26nC
Number of bunches 40
Bunch axial RMS dimension
2σ (Gaussian charge distribu-
tion)
17.0 mm
Full bunch length used in PIC
simulation
34.0 mm
Bunch diameter 10.0 mm
Bunch repetition period Tr 0.35654 ns (fr=2.805 GHz)
GENERALITIES
For numerical simulation we use dependence of
magnetic induction on longitudinal coordinate obtained
from experimental measurements (Fig. 2).
Fig. 2. Dependence of magnetic induction on longitudinal
coordinate
Fig. 3. Assemblage of trajectories of 4.5 MeV electron
injected along longitudinal coordinate z at the waveguide
axis for different magnet position zm (given above). Dotted
line show the R26 and R32 waveguide wall position
For electrons with energy
0 4.5 MeVE injected
along the longitudinal coordinate at the waveguide axis
for different magnet position
mz we obtain assemblage
of trajectories shown in Fig 3.
Intersection of electron trajectories with R26 and R32
waveguide wall (that is equal to sum
sh effz z ) on a
magnet position
mz is given in Fig 4. For 8 cmmz
curves in Fig. 4 has nearly linear dependence. So at that
the interaction length of bunches with rectangular di-
electric waveguide
effz will be proportionally to
mz
also.
Fig. 4. Dependence of intersection of electron trajectories
with R26 and R32 waveguide wall sh effz z on a mag-
net position
mz
RESULTS OF 3D-PIC CODE SIMULATION
During numerical simulation using our 3D-PIC code
we obtain nearly linear dependence of wakefield ampli-
tude
zE on
effz both for dielectric resonator and wave-
guide based on R26 (Fig. 5). It is in good compliance
with experiment [1]. The wakefield for the resonator
approximately by 3 times exceeds a field for a wave-
guide for train of 40 bunches.
Fig. 5. Dependence of wakefield amplitude
zE on inter-
action length
effz of bunches with rectangular dielectric
waveguide (red) and resonator (blue) based on R26
For modal analysis of multimode structure we offer
advanced procedure of Fourier transformation [7]. In
Fig. 6 are presented the results of applying of improved
procedure for determination of spectrum of the wake-
field energized by the long bunch train in resonator
based on R26 at 9cmmz . It is seen that spectrum of
total wakefield consist of frequency of main mode, fre-
quencies multiple them and also frequency of 2-nd LSE
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94) 99
mode of oscillations that is close to 3-rd harmonic of
main mode.
Fig. 6. Spectra Ez(t,x=2.25 cm, y=4.5 cm, z=48.64 cm) of
resonator based on R26 at zm=9 cm for the train of 40
bunches with using of sampling interval:
b) t=2.861…14.261ns; c) t=2.861…4.29ns;
d) t=6.563…7.992ns; e) t=12.8…14.229ns (see Fig. 6,a).
Blue lines show spectra computed by decomposition in
Fourier’s integral, and magenta bars show the spectra
with using of standard FFT
In Fig. 7 show the spectrum of wakefield excited in
resonator based on R32 at 0shz ,
dL L and
24cmmz . It is seen that in this case spectrum of total
wakefield consist of doubled repetition frequency i.e.
2 rf that is equal to frequency of main mode and fre-
quencies multiple
rf : 3 rf and 4 rf .
Fig. 7. Spectra Ez(t,x=1.702 cm, y=36.07 cm, z=42 cm)
of resonator based on R32 at zsh=0 and zm=24 cm for the
train of 40 bunches with using of sampling interval:
b) t=2.175…14.26 ns; c) t=2.175…3.417 ns;
d) t=6.629…7.876 ns; e) t=13.185…14.254 ns (see
Fig. 7,a). Blue lines show spectra computed by decompo-
sition in Fourier’s integral, and magenta bars show the
spectra with using of standard FFT
Spectral composition of dielectric resonator based on
R32 is more poorly than of resonator based on R26.
That is why resonator based on R32 may be considering
as a single-mode resonator, while resonator based on
R26 is a multi-mode one.
Fig 8,a shows the phase plane "energy-longitudinal
coordinate" for resonator based on R26 at 24cmmz
for last three bunches of the train. Fig 8,b demonstrate
energies distribution function of electrons on a resonator
output for last bunch of the train.
Fig. 8. a) phase plane "energy-longitudinal coordinate",
b) energies distribution function of electrons on a resona-
tor output. E0=4.5 MeV for resonator based on R26 at
zm=24 cm for last three bunches of the train (a) and last
bunch (b)
Fig. 9. Same contents as in Fig. 8, but for the waveguide
based on R26
Fig. 9 present the same contents as see Fig. 8, but for
the waveguide based on R26. Comparing see Figs. 8
and 9 one can see that in a waveguide case electrons
better give up energy to wakefield than for resonator. In
addition in a dielectric waveguide an accelerated elec-
trons are practically absent whereas in resonator a num-
ber of accelerated and decelerated particles are compa-
rable.
Fig. 10. Same contents as in Fig. 8, but for the resonator
based on R32 at zsh=0 and zm=24 cm
Even greater accelerated electrons we obtain in case
of resonator based on R32 at 0shz ,
dL L and
24cmmz (Fig. 10). This fact and wakefield behav-
iour shown in Fig. 7,a may follow from frequency de-
tuning between doubled repetition frequency 2 rf and
frequency of main mode of dielectric resonator based on
R32.
CONCLUSIONS
The 3D modeling executed by us shows the growing
dependence of amplitude of a longitudinal electric field
found in experiment at an output end of a waveguide
from the interaction length of electrons with dielectric
waveguide.
100 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
Analysis of spectrums of a longitudinal electric field
zE t showed existence of multimode structure of os-
cillations in R26 dielectric waveguide or resonator and
single-mode structure in R32 resonator.
While studying of energies distribution function of
electrons on a resonator output we find accelerated elec-
trons along with decelerated electrons.
At the same time in R26 waveguide structures an ac-
celerated electrons practically does not appear.
Existence of accelerated electrons in R32 dielectric
resonator may be caused by frequency detuning be-
tween doubled repetition frequency 2 rf and frequency
of main mode.
ACKNOWLEDGEMENTS
This study is supported by Global Initiatives for Pro-
liferation Prevention (GIPP) program, project ANL-T2-
247-UA (STCU Agreement P522).
REFERENCES
1. I. Onishchenko, V. Kiselev, G. Sotnikov. Wakefield
excitation in dielectric wavguides by a sequence of rela
tivistic electron bunches // Proc. of ICOPS/Beams, 25-
29 May 2014, Washington, USA (will be published).
2. T.B. Zhang et al. // Phys. Rev. E56, 1997, p. 4647.
3. V. Kiselev et al. // Proc. of he 12th Int. Conf. on
High-Power Particle Beams, Haifa, June.1998, v. 2,
p. 756.
4. C. Wang, J.L. Hirshfield // Phys. Rev. ST Accel. and
Beams. 2006, v. 9, p. 31301.
5. I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov // Technical Phys-
ics. 2008, v. 53, p. 1344.
6. K.V. Galaydych et al. // Problems of Atomic Science
and Technology. Series "Nuclear Physics Investiga-
tions" (54), 2013, № 6, p. 35-38.
7. K.V. Galaydych et al. // Proc. of 9th International
Workshop Strong Microwaves and Terahertz Waves:
Source and Applications, July 24-30, 2014, Nizhniy
Novgorod, Russia, 2014, p. 73-74.
Article received 20.09.2014
ИССЛЕДОВАНИЕ КИЛЬВАТЕРНЫХ ПОЛЕЙ В ПРОДОЛЬНО И ПОПЕРЕЧНО НЕОДНОРОДНЫХ
ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ
П.И. Марков, В.А. Киселев, Р.Р. Князев, И.Н. Онищенко, Г.В. Сотников
В ХФТИ выполнена экспериментальная проверка принципов создания многосгусткового и многомодово-
го кильватерного диэлектрического ускорителя. Кильватерные поля возбуждались при инжекции последо-
вательности электронных сгустков в прямоугольном вакуумном волноводе типа R32 (72,14×34,04 мм) или
типа R26 (86,36×43,18 мм), заполненном диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью
3,8 , покрывающем две противоположные широкие стенки волновода. Частота повторения сгустков со-
ставляла 2,805 ГГц, энергия электронов была 4,5 MэВ, заряд одного сгустка составлял 0,26 нКл. Электрон-
ные сгустки, поступающие через открытый входной торец диэлектрического волновода, отклонялись попе-
речным магнитным полем постоянных магнитов к металлической стене волновода, свободной от диэлектри-
ка. В зависимости от расположения магнитов вдоль оси структуры изменялась длина взаимодействия элек-
тронных сгустков с прямоугольным диэлектрическим волноводом. Выполненное нами 3D-моделирование
показало линейный рост амплитуды продольного электрического поля на выходном торце волновода с дли-
ной взаимодействия, что находится в хорошем соответствии с экспериментально полученной зависимостью.
Исследовались хронологические зависимости продольного электрического поля вблизи выходного торца
волновода на оси системы, получены и проанализированы спектральные характеристики колебаний поля.
Проведенные исследования приводят к лучшему пониманию физических процессов, происходящих в киль-
ватерном диэлектрическом ускорителе.
ДОСЛІДЖЕННЯ КІЛЬВАТЕРНИХ ПОЛІВ У ПОЗДОВЖНЬО Й ПОПЕРЕЧНО НЕОДНОРІДНИХ
ПРЯМОКУТНИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РЕЗОНАТОРАХ
П.І. Марков, В.А. Кисєльов, Р.Р. Князєв, І.М. Онiщенко, Г.В. Сотнiков
У ХФТІ виконана експериментальна перевірка принципів створення багатозгусткового й багатомодового
кільватерного діелектричного прискорювача. Кільватерні поля збуджувалися при інжекції послідовності
електронних згустків у прямокутному вакуумному хвилеводі типу R32 (72,14×34,04мм) або типу R26
(86,36×43,18 мм), заповненому діелектриком з відносною діелектричною проникністю 3.8 , що покриває
дві протилежні широкі стінки хвилеводу. Частота повторення згустків становила 2,805 ГГц, енергія елект-
ронів була 4,5 MеВ, заряд одного згустка становив 0,26 нКл. Електронні згустки, що надходили через відк-
ритий вхідний торець діелектричного хвилеводу, відхилялися поперечним магнітним полем постійних маг-
нітів до металевої стіни хвилеводу, вільної від діелектрика. Залежно від розташування магнітів уздовж осі
структури змінювалася довжина взаємодії електронних згустків із прямокутним діелектричним хвилеводом.
Виконане нами 3D-моделювання показало лінійне зростання амплітуди поздовжнього електричного поля на
вихідному торці хвилеводу з довжиною взаємодії, що перебуває в гарній відповідності до експериментально
отриманої залежності. Досліджувалися хронологічні залежності поздовжнього електричного поля поблизу
вихідного торця хвилеводу на осі системи, отримані й проаналізовані спектральні характеристики коливань
поля. Проведені дослідження призводять до кращого розуміння фізичних процесів, що відбуваються в кіль-
ватерному діелектричному прискорювачі.
|