ПОВЫШЕНИЕ ПИКОВОЙ МОЩНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ЧЕРЕНКОВСКОГО СВЕРХИЗЛУЧЕНИЯ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

June 26, 2012 by admin Комментировать »

И. В. Зотова, Н. С. Гинзбург, А. С. Сергеев Институт прикладной физики РАН, ГСП-120, Н. Новгород 603950, Россия Тел.: (8312) 384316, e-mail: zotova@appl.sci-nnov.ru

Аннотация Предложен метод повышения пиковой мощности импульсов сверхизлучения (СИ) за счет изменения энергии электронов вдоль электронного сгустка. На основе одномерной нестационарной модели, а также в рамках прямого численного моделирования показано, что в случае черенковского СИ использование электронных сгустков с увеличивающейся по линейному закону энергией частиц позволяет в несколько раз повысить мощность генерируемых импульсов.

I.   Введение

В последнее время достигнут значительный прогресс в генерации электромагнитных импульсов субнаносекундной длительности на основе эффектов сверхизлучения (СИ) электронных сгустков [1-3]. При этом использовались электронные сгустки с постоянной вдоль сгустка энергией частиц. В данной работе предложен метод повышения пиковой мощности импульсов СИ за счет использования электронных сгустков, энергия частиц в которых меняется в зависимости от времени инжекции в пространство взаимодействия. Оптимизация проведена для случая черенковского СИ, которое реализуется при излучении электронного сгустка в волноводе с диэлектрической вставкой.

II.   Основная часть

Рассмотрим возбуждение одной из волноводных мод электронным сгустком в условиях синхронизма

(1)

где Ц| = Рцс поступательная скорость электронов,

Представим продольную компоненту электрического поля возбуждаемой волны в виде

поле

волноводной моды, A(z,t) медленно меняющаяся амплитуда поля. Несущая частота т соответсвует точному синхронизму с электронной фракцией с энергией у0, которая инжектируется в пространство

взаимодействия в момент времени f=0. Тогда сверхизлучение электронного сгустка с переменной во времени скоростью частиц опишется с помощью системы уравнений:

Здесь

a = eAESz(R0)/mc(o, R0 радиус инжекции, 6 = <ot-hz фаза электронов относительно волны,

Vph = PphC фазовая, a Vgr = рдгс –

групповая скорость волны, G параметр, пропорциональный току пучка и импедансу связи электронов с волной. Плотность электронов предполагалась постоянной (с точностью до начальных флуктуаций) вдоль электронного сгустка, в то время как энергия частиц менялась по линейному закону

Результаты моделирования системы уравнений

(2)            -(3) приведены на Рис.1 (L=200, G=0.002). Кривая 1 соответствует случаю сверхизлучения электронного сгустка с длительностью 7=50 и постоянной вдоль сгустка энергией электронов 300 keV (S = 0). Изменение энергии электронов от 250 до 350 кэВ вдоль сгустка той же длительности позволяет в несколько раз повысить пиковую мощность импульса СИ (кривая 2). Существенно больший рост мощности излучения (при той же средней мощности пучка) можно получить при увеличении длительности электронного сгустка (кривая 3), когда в процесс взаимодействия включено большее количество электронов. В этом случае, практически все электроны тормозятся при взаимодействии с импульсом СИ, сформированном на начальном этапе. При этом изменение энергии

Рис. 1. Увеличение пиковой мощности импульсов СИ при оптимизации формы импульса ускоряющего напряжения

Fig. 1. Increasing of SR pulse power by the optimization of electron bunch waveform

электронов пропорционально корню из амплитуды действующего поля. В этом смысле описанный процесс аналогичен рассмотренному в [4] процессу торможения электронов при взаимодействии с волной с увеличивающейся фазовой скоростью, когда отсутствует захват электронов волной.

Fig. 2. PIC code simulation of electron bunch radiation

Учет влияния начальных шумов на формирование импульса СИ проводился с помощью прямого численного моделирования на основе кода КАРАТ. Рассматривалось СИ электронного пучка с длительностью 4 не и током 1 кА в волноводе радиуса

0.    5 см с диэлектрической вставкой (s = 3).B случае постоянной вдоль всего пучка начальной энергии электронов 300 кэВ наличие флуктуации плотности частиц приводило к тому, что излучение представляло собой случайную последо-вательность импульсов с приблизительно одинаковой пиковой мощностью, не превышающей 10 МВт. При увеличении энергии электронов вдоль пучка от 250 кэВ до 350 кэВ существует несколько выделенных импульсов излучения с амплитудой, существенно превышающей амплитуду других импульсов (Рис.2). Пиковая мощность излучения достигала 70 МВт в случае электронного импульса, энергия частиц в котором растет от начала к концу импульса. Таким образом, пиковая мощность более чем в 7 раз превосходит пиковую мощность излучения в случае прямоугольного импульса ускоряющего напряжения.

III.  Заключение

В заключении отметим, что описанная выше оптимизация формы импульса ускоряющего напряжения может быть использована с целью повышения пиковой мощности излучения и для других механизмов сверхизлучения электронных сгустков. Однако в случае, когда групповая скорость волны превышает поступательную скорость частиц (такая ситуация реализуется, например, в лазерах на свободных электронах) энергия электронов должна не расти, а уменьшаться от фронта импульса к его хвостовой части.

IV.  Список литературы

[1]  Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Zotova I. V. etal. Phys. Rev.

Lett., 1997, v.78, No. 12, p. 2365.

[2]  S. Г. Шпак, М. И. Яландин, H. С. Гинзбург и др.

ДАН 1999, т. 365, № 1, с. 50.

[3]  С. Д. Коровин, Г. А. Месяц, В. В. Ростов и др. Письма в

ЖТФ 2002, т. 28, вып. 2 с. 34.

[4]  N. М. Kroll, P. L. Morton, М. N. Rosenbluth et al.

IEEE J. Quantum Electron, 1981, V. 17, p. 1436.

AMPLIFICATION OF SHORT ELECTROMAGNETIC PULSE PROPAGATING THROUGH ELECTRON BEAM

Ginzburg N. S., Zotova I. V., Sergeev A. S. Institute of Applied Physics RAS GSP-120, Nizhny Novgorod 603950, Russia phone: (8312) 384316 e-mail: zotovatcbappl.sci-nnov.ru

Puc. 1. Моделирование сверхизлучения электронного сгустка на основе PIC кода КАРАТ

Abstract To increase the peak power of superradiance pulses it is suggested to optimize the electron bunch profile. It is shown that an electron energy chirp provides the possibility of increasing the peak power by several times.

I.  Introduction

Recently the remarkable progress in generation subnanosecond electromagnetic pulses was achieved based on superradiance (SR) of electron bunch [1-3]. It was assumed that the electron bunches with a flat-top accelerating voltage profile are the best suited for SR emission. It is shown in this paper that in order to enhance the peak amplitude of the SR pulse the particle energy should be changed over the electron bunch duration. In the Cherenkov case of SR from an electron bunch moving in a dielectric loaded waveguide and emitting in a forward propagating wave with a group velocity less than the electron longitudinal velocity the peak power enhancement takes place when the energy of the particles increases from the leading to the trailing edge of the electron bunch. As the SR pulse amplitude grows in time, this pulse can effectively extract energy from electrons with velocities that are strongly different from the synchronous value. As a result the peak power of SR pulses increases in several times.

II.  Main part

The superradiance of electron bunch with the variable particle energy can be described by the system of equations

(2)         -(3). The energy of electrons varies over the electron bunch according to the linear law (4).

In Fig.1 the results of numerical simulation of Eqs.(2)-(3) are presented for normalized length of interaction space L =200 and parameter G=0.002. Curve 1 corresponds to the SR from an electron bunch with flat-top energy pulse profile (S = 0, eU=300 keV) and normalized duration 7=50. For curve 2 the electron’s energy grows from 250 to 350 keV along the bunch of the same total duration. We see a substantial increase of the SR pulse peak power. However for the same electron energy variation a much more dramatic enhancement in the peak power can be obtained for the situation in which the electron bunch normalize duration increases up to 7=100 (curve 3). In the last case practically all electrons decelerate after interaction with the electromagnetic pulse. It may be noted that the electron’s energy losses are approximately proportional to the square root of the amplitude of the acting field. In this sense the above process is quite similar to that described in [4] the process of particle deceleration without trapping occurs after interaction with a synchronous wave with increasing phase velocity.

The influence of the random initial modulation in the electron beam on the process of electromagnetic pulse formation has been investigated using the particle-in-cell (PIC) code KARAT. The results of simulation are presented in the Fig.2

III.  Conclusion

Based on the analyze carried out we can conclude that optimization of the electron energy pulse profile results in a substantial increase in the SR pulse peak amplitude. In the case of the emission of an electron bunch moving in a wiggler field where the wave group velocity exceeds the electron’s longitudinal velocity for the SR peak power enhancement the electron’s energy should be obviously increased from the trailing to the leading edge of the electron bunch.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты