Нелинейная динамика излучения сильноточных пучков заряженных частиц в пространственно-периодических структурах

  • Светлана Николаевна Сытова Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-2476-9979
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-62-72

Аннотация

Рассмотрены физические процессы, лежащие в основе функционирования вакуумных электронных приборов, а именно нелинейные процессы излучения сильноточных пучков заряженных частиц при прохождении пространственно-периодических структур (резонаторов) и взаимодействии с электромагнитным полем. Проанализированы принципы работы ламп бегущей волны, ламп обратной волны, многоволновых черенковских генераторов, лазеров и мазеров на свободных электронах и др. Указанные приборы функционируют в широком диапазоне спектра (от микроволнового до рентгеновского), имеют высокие КПД, позволяют получать излучение большой мощности в узких спектральных областях. Повышение производительности и надежности таких устройств основано на совершенствовании сложных электромагнитных структур, составляющих резонаторы. Продемонстрировано разнообразие вакуумных электронных приборов при очевидной общности используемых в них физических принципов. Рассмотрена нелинейная хаотическая динамика их функционирования. Особое внимание уделено принципам работы объемных лазеров на свободных электронах, а также их отличию от других приборов.

Биография автора

Светлана Николаевна Сытова, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заведующий лабораторией аналитических исследований

Литература

  1. Benford J, Swegle JA, Schamiloglu E. High power microwave. 3rd edition. Boca Raton: CRC Press; 2016. [470 p.]. (Series in plasma physics).
  2. Freund HP, Antonsen JrTM. Principles of free electron lasers. 3rd edition. [S. l.]: Springer; 2018. [729 p.]. DOI: 10.1007/978-3-319-75106-1.
  3. Weinstein LA, Solntsev VA. Lektsii po sverkhvysokochastotnoi elektronike [Lectures on microwave electronics]. Moscow: Sovetskoe radio; 1973. 400 p. Russian.
  4. Baryshevsky VG, Feranchuk ID, Ulyanenkov AP. Parametric X-ray radiation in crystals. Theory, experiments and applications. [S. l.]: Springer; 2005. 172 p. (Springer tracts in modern physics; volume 213). DOI: 10.1007/b95327.
  5. Trubetskov DI, Hramov AE. Lektsii po sverkhvysokochastotnoi elektronike dlya fizikov [Lectures on microwave electronics for physicists]. Moscow: Fizmatlit; 2003–2004. 2 volumes. Russian.
  6. Kompfner R. The travelling wave valve. Wireless World. 1946;LII(II):369–372.
  7. Pierce JR. Equation for travelling-wave tubes. Bell System Technical Journal. 1950;29(3):390–460. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1950.tb02352.x.
  8. Nusinovich GS, Levush B, Abe DK. A review of the development of multiple-beam klystrons and TWTs. Washington: Naval Research Laboratory; 2003 March 17. 50 p. Report No.: NRL/MR/6840-03-8673.
  9. Epsztein B, inventor; Compagnie generale de Telegraphie Sans Fil, assignee. Backward flow travelling wave devices. France patent FR1035379(A). 1959 March 31.
  10. Ginzburg NS, Kuznetsov SP, Fedoseeva TN. [Theory of transients processes in relativistic BWO]. Izvestiya vuzov. Radiofizika. 1978;21(7):1037–1052. Russian.
  11. Solntsev VA, inventors and assignee. Karsinotrod [Karsinotrod]. Patent Russian Federation RU2121194С1. 1998 October 27. Russian.
  12. Abe DK, Carmel Y, Miller SM, Bromborsky A, Levush B, Antonsen TM, et al. Experimental studies of overmoded relativistic backward-wave oscillators. IEEE Transactions on Plasma Science. 1998;26(3):591–604. DOI: 10.1109/27.700796.
  13. Bugaev SP, Kanavets VI, Koshelev VI, Cherepenin VA. Relyativistskie mnogovolnovye SVCh-generatory [Relativistic multiwave microwave generators]. Novosibirsk: Nauka; 1991. 296 p. Russian.
  14. Madey JMJ. Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magnetic field. Journal of Applied Physics. 1971;42(5): 1906–1913. DOI: 10.1063/1.1660466.
  15. Colson WB. Theory of a free electron laser. Physics Letters A. 1976;59(3):187–190. DOI: 10.1016/0375-9601(76)90561-2.
  16. Deacon DA, Elias LR, Madey JMJ, Ramian GJ, Schwettman HA, Smith TI. First operation of a free electron laser. Physical Review Letter. 1977;38(16):892–894. DOI: 10.1103/PhysRevLett.38.892.
  17. Billardon M, Elleaume P, Ortega JM, Bazin C, Bergher M, Velghe M, et al. First operation of a storage-ring free electron laser. Physical Review Letter. 1983;51(18):1652–1655. DOI: 10.1103/PhysRevLett.51.1652.
  18. Weise H, Decking W. Commissioning and first lasing of the European XFEL. In: Bishofberger K, Carlsten B, Schaa VRW, editors. Proceedings of the 38th International free electron laser conference; 2017 August 20–25; Santa Fe, NM, United States. Geneva: JACoW; 2018. p. 9–13. DOI: 10.18429/JACoW-FEL2017-MOC03.
  19. Kulipanov GN, Bagryanskaya EG, Chesnokov EN, Choporova YuYu, Gerasimov VV, Getmanov YaV, et al. Novosibirsk free electron laser-facility description and recent experiments. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2015;5(5): 798–809. DOI: 10.1109/TTHZ.2015.2453121.
  20. Neyman PJ, Colson WB, Gottshalk SC, Todd AMM, Blau J, Cohn K. Free electron lasers in 2017. In: Bishofberger K, Carlsten B, Schaa VRW, editors. Proceedings of the 38th International free electron laser conference; 2017 August 20–25; Santa Fe, NM, United States. Geneva: JACoW; 2018. p. 204–209. DOI: 10.18429/JACoW-FEL2017-MOP066.
  21. Ginzburg NS, Zaslavsky VYu, Peskov NYu, Sergeev AS, Arzhannikov AV, Kalinin PV, et al. Theory of a planar free electron maser with transverse electromagnetic flux circulation in a 2D Bragg mirror. Technical Physics. 2006;51:1618–1623. DOI: 10.1134/S1063784206120115.
  22. Bratman VL. [Millimeter-wave relativistic electron devices]. Izvestiya vuzov. Radiofizika. 2003;46(10):859–873. Russian.
  23. Andrews HL, Brau CA. Gain of a Smith – Purcell free electron laser. Physical Review Accelerators and Beams. 2004;7(7):070701. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.7.070701.
  24. Kalkal Y, Kumar V. Analysis of Čerenkov free electron lasers. Physical Review Accelerators and Beams. 2015;18(3):030707. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.18.030707.
  25. Baryshevsky VG, Feranchuk ID. Parametric beam instability of relativistic charged particles in a crystal. Physics Letters A. 1984;102(3):141–144. DOI: 10.1016/0375-9601(84)90799-0.
  26. Baryshevsky VG, Batrakov KG, Dubovskaya IYa. Parametric (quasi-Čerenkov) X-ray free electron lasers. Journal of Physics D: Applied Physics. 1991;24(8):1250–1257. DOI: 10.1088/0022-3727/24/8/005.
  27. Baryshevsky VG, Batrakov KG, Gurinovich AA, Ilienko I, Lobko A, Moroz V, et al. First lasing of a volume FEL (VFEL) at a wavelength range l ~ 4–6 mm. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2002;483(1–2):21–23. DOI: 10.1016/S0168-9002(02)00279-6.
  28. Baryshevsky VG, Batrakov KG, Evdokimov VA, Gurinovich AA, Lobko AS, Molchanov PV, et al. Experimental observation of radiation frequency tuning in «OLSE-10» prototype of volume free electron laser. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2006;252(1):86–91. DOI: 10.1016/j.nimb.2006.07.029.
  29. Baryshevsky VG, Belous NA, Gurinovich AA, Evdokimov VA, Molchanov PV, Oskin AV, et al. Experimental study of volume free electron laser using a «grid» photonic crystal with variable period. In: Proceedings of the 29th International free electron laser conference; 2007 August 26–31; Novosibirsk, Russia. Geneva: JACoW; 2010. p. 496–498.
  30. Denis T, van Dijk MW, Lee JHH, van der Meer R, Strooisma A, van der Slot PJM, et al. Coherent Cherenkov radiation and laser oscillation in a photonic crystal. Physical Review A. 2016;94(5):053852. DOI: 10.1103/PhysRevA.94.053852.
  31. van der Slot PJM, Denis T, Lee JHH, van Dijk MW, Boller KJ. Photonic free electron lasers. IEEE Photonics Journal. 2012;4(2):570–573. DOI: 10.1109/JPHOT.2012.2190724.
  32. Yablonovich E, Gmitter TJ. Photonic band structure: the face-centered-cubic case. Physical Review Letter. 1989;63(18):1950–1953. DOI: PhysRevLett.63.1950.
  33. Yablonovich E. Photonics: one-way road for light. Nature. 2009;461(7265):744–745. DOI: 10.1038/461744a.
  34. Rolles D. Highly efficient nanoscale X-ray sources. Nature Photonics. 2018;12(2):62–63. DOI: 10.1038/s41566-018-0092-9.
  35. Ginzburg VL. [Radiation by uniformly moving sources (Vavilov – Cherenkov effect, transition radiation and other phenomena)]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1996;166(10, special issue):1033–1042. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.0166.199610b.1033.
  36. Baryshevskii VG. [On the scattering of light by a flux of electrons passing through a crystal]. Doklady Akademii nauk BSSR. 1971;15(4):306–308. Russian.
  37. Ter-Mikaelyan ML. Vliyanie sredy na elektromagnitnye protsessy pri vysokikh energiyakh [Influence of the environment on electromagnetic processes at high energies]. Yerevan: Publishing House of Academy of Sciences of Armenian SSR; 1969. 457 p. Russian.
  38. Baryshevskii VG, Feranchuk ID. [Transition radiation of γ-rays in a crystal]. Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 1972;61(3):944–948. Erratum in: Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 1973;64(2):760. Russian.
  39. Adishchev YuN, Baryshevsky VG, Vorob’ev SA, Danilov VA, Pak SD, Potylitsyn AP, et al. [Experimental observation of parametric X-ray emission]. Pis’ma v Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 1985;41(7):295–297. Russian.
  40. Afanasenko VP, Baryshevsky VG, Zuevskii RF, Livshits MG, Lobko AS, Moroz VI, et al. [Detection of multi-wavelength generation of parametric X-ray radiation (PXR)]. Pis’ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 1989;15(1):33–36. Russian.
  41. Lauth W, Backe H, Kettig O, Kunz P, Sharafutdinov A, Weber T. Coherent X-rays at MAMI. The European Physical Journal A – Hadrons and Nuclei. 2006;28:185–195. DOI: 10.1140/epja/i2006-09-019-0.
  42. Batrakov KG, Sytova SN. [Modeling of volume free electron lasers]. Zhurnal vychislitel’noi matematiki i matematicheskoi fiziki. 2005;45(4):690–700. Russian.
  43. Billardon M. Chaotic behavior of the storage ring free electron laser. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1991;304(1–3):37–39. DOI: 10.1016/0168-9002(91)90816-9.
  44. Bruni C, Garzella D, Orlandi GL, Couprie ME. Chaotic nature of the super-ACO FEL. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2004;528(1–2):273–277. DOI: 10.1016/j.nima.2004.04.069.
  45. Shuster HG. Deterministic chaos: an introduction. 2nd edition. Weinheim: VCH; 1988. XXIII, 270 p.
  46. Lorenz EN. Deterministic nonperiodic flow. Journal of the Atmospheric Sciences. 1963;20(2):130–141. DOI: 10.1175/1520-0469(1963)020<0130:DNF>2.0.CO;2.
  47. Boccaletti S, Kurths J, Osipov G, Valladares DL, Zhou CS. The synchronization of chaotic systems. Physics Reports. 2002;366(1–2):1–101. DOI: 10.1016/S0370-1573(02)00137-0.
  48. Kim C-B, Hong K-S. Control of chaos in free electron laser. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1998;403(1):161–170. DOI: 10.1016/S0168-9002(97)01119-4.
  49. Hur MS, Lee HJ, Lee JK. Parametrization of nonlinear and chaotic oscillations in driven beam-plasma diodes. Physical Review E. 1998;58(1):936–941. DOI: 10.1103/PhysRevE.58.936.
  50. Baryshevsky VG, Sytova SN. Radiative processes, radiation instability and chaos in the radiation formed by relativistic beams moving in three-dimensional (two-dimensional) space-periodic structures (natural and photonic crystals). Izvestiya vuzov. Prikladnaya nelineinaya dinamika. 2013;21(6):25–48. Russian. DOI: 10.18500/0869-6632-2013-21-6-25-48.
Опубликован
2021-02-09
Ключевые слова: нелинейная динамика, сильноточные электронные пучки, вакуумные электронные приборы, объемные лазеры на свободных электронах
Как цитировать
Сытова, С. Н. (2021). Нелинейная динамика излучения сильноточных пучков заряженных частиц в пространственно-периодических структурах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 62-72. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-62-72
Выпуск
№ 1 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика электромагнитных явлений

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).