nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2022-17-2-16-29nguphys-189Research ArticleФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, УСКОРИТЕЛЕЙ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫHIGH-ENERGY AND ACCELERATOR PHYSICS, PHYSICS OF HIGH-TEMPERATURE PLASMAИсследование инкремента поперечной неустойчивости килоамперного электронного пучка в ЛИУ для его применения в терагерцовом ЛСЭInvestigation of the Increment of Transverse Instability of a Kiloampere Electron Beam in a Linear Induction Accelerator for Its Use in a Terahertz FELСандаловЕ. С.SandalovE. S.

Сандалов Евгений Сергеевич, аспирант

Новосибирск

Evgeniy S. Sandalov, postgraduate student 

Novosibirsk

E.S.Sandalov@inp.nsk.suСиницкийС. Л.SinitskyS. L.

Синицкий Станислав Леонидович, кандидат физико-математических наук 

Новосибирск

Stanislav L. Sinitsky, Candidate of Physical and Mathematical Sciences 

Novosibirsk

S.L.Sinitsky@inp.nsk.suСковородинД. И.SkovorodinD. I.

Сковородин Дмитрий Иванович, кандидат физико-математических наук 

Новосибирск

Dmitrii I. Skovorodin, Candidate of Physical and Mathematical Sciences 

Novosibirsk

Skovorodin@inp.nsk.suАржанниковА. В.ArzhannikovA. V.

Аржанников Андрей Васильевич, доктор физико-математических наук 

Новосибирск

Andrey V. Arzhannikov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences 

Novosibirsk

A.V.Arzhannikov@inp.nsk.suЛогачевП. В.LogachevP. V.

Логачев Павел Владимир, доктор физико-математических наук, академик РАН 

Новосибирск

Pavel V. Logachev, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Academician of the Russian Academy of Sciences 

Novosibirsk

P.V.Logatchov@inp.nsk.suБакП. А.BakP. A.

Бак Петр Алексеевич, старший научный сотрудник 

Новосибирск

Petr A. Bak, Senior Researcher 

Novosibirsk

P.A.Bak@inp.nsk.suЖиванковК. И.ZhivankovK. I.

Живанков Кирилл Игоревич, научный сотрудник 

Новосибирск

Kirill I. Zhivankov, researcher 

Novosibirsk

K.I.Zhivankov@inp.nsk.suНикифоровД. А.NikiforovD. A.

Никифоров Данила Алексеевич, научный сотрудник 

Новосибирск

Danila A. Nikiforov, researcher 

Novosibirsk

D.A.Nikiforov@inp.nsk.suПетренкоА. В.PetrenkoA. V.

Петренко Алексей Васильевич, кандидат физико-математических наук 

Новосибирск

Alexey V. Petrenko, Candidate of Physical and Mathematical Sciences 

Novosibirsk

A.V.Petrenko@inp.nsk.suГинзбургН. С.GinzburgN. S.

Гинзбург Наум Самуилович, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН 

Новосибирск

Naum S. Ginzburg, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, corresponding member of the Russian Academy of Sciences 

Novosibirsk

ginzburg@appl.sci-nnov.ruПесковН. Ю.PeskovN. Yu.

Песков Николай Юрьевич, доктор физико-математических наук 

Новосибирск

Nikolai Yu. Peskov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences 

Novosibirsk

peskov@appl.sci-nnov.ruПротасР. В.ProtasR. V.

Протас Роман Викторович, кандидат физико-математических наук 

Снежинск

Roman V. Protas, Candidate of Physical and Mathematical Sciences 

Snezhinsk

vniitf@vniitf.ruИнститут ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАНРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RASRussian FederationРоссийский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. ЗабабахинаРоссияRussian Federal Nuclear Centre — The All-Russian Research Institute of Technical Physics named after E. I. ZababakhinRussian Federation2022110920221721629Copyright © Сандалов Е.С., Синицкий С.Л., Сковородин Д.И., Аржанников А.В., Логачев П.В., Бак П.А., Живанков К.И., Никифоров Д.А., Петренко А.В., Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Протас Р.В., 20222022Сандалов Е.С., Синицкий С.Л., Сковородин Д.И., Аржанников А.В., Логачев П.В., Бак П.А., Живанков К.И., Никифоров Д.А., Петренко А.В., Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Протас Р.В.Sandalov E.S., Sinitsky S.L., Skovorodin D.I., Arzhannikov A.V., Logachev P.V., Bak P.A., Zhivankov K.I., Nikiforov D.A., Petrenko A.V., Ginzburg N.S., Peskov N.Y., Protas R.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/189

В ИЯФ СО РАН совместно с РФЯЦ ВНИИТФ ведутся исследования, направленные на получение в линейном индукционном ускорителе (ЛИУ) пучка релятивистских электронов с энергией до 20 МэВ, током до 2 кА и длительностью до 200 нс при нормализованном эмиттансе около 1000 π⋅мм⋅мрад. Генерация электронных пучков с такими параметрами требует тщательного исследования всех основных источников возмущений траекторий электронов пучка, создаваемых различного рода неустойчивостями, возникающими при транспортировке и ускорении сильноточного пучка в ускорительной структуре ЛИУ. Для проведения экспериментальной серии по измерению динамики поперечных колебаний пучка был использован набор быстрых трансформаторов тока, применяемых для регистрации тока пучка и полей мод, возбуждаемых этим пучком в структуре. Данные измерения проведены при прохождении в структуре пучка электронов с энергией 8,5 МэВ и током 1 кА в различных режимах по величине фокусирующих магнитных полей в ЛИУ. В результате проведенных измерений были зарегистрированы колебания электромагнитного поля собственных мод в ускорительных модулях ЛИУ, и была установлена зависимость амплитуды колебаний ЭМ-поля этих мод от номера ускорительного модуля. Эта зависимость была сопоставлена с результатом моделирования динамики развития поперечной неустойчивости в ЛИУ, которое проведено с использованием созданного программного комплекса, что в итоге позволило определить величину инкремента поперечной неустойчивости релятивистского электронного пучка в данных экспериментальных условиях. Исходя из полученных результатов проведен анализ возможности использования пучка, генерируемого ЛИУ, в качестве драйвера ЛСЭ-генератора когерентных импульсов ТГц-излучения в диапазоне частот 0,3–1,2 ТГц с субгигаваттным уровнем мощности.

The Institute of Nuclear Physics SB RAS in cooperation with the Russian Federal Nuclear Center VNIITF performs a series of researches aimed at acquiring a relative electron beam with energy up to 20 MeV, current up to 2 kA, and duration up to 200 ns at normalized emittance ca. 1000 π∙mm∙rad in a linear induction accelerator (LIA). In order to generate electron beams with such parameters we require thorough investigation of all main sources of perturbation of electron beam trajectory caused by different instabilities that occur during the transport and acceleration of a high currency beam in the accelerating structure of LIA. For the experimental series on measuring the dynamics of transverse oscillation of a beam, we applied a set of fast current transformers which are used for registration of beam current and mode fields caused by this beam in the structure. These measurements were performed for the electron beam with the energy of 8.5 MeV and current of 1 kA going through the structure at different modes of focusing magnetic fields size in LIA. As a result, we registered oscillation of the electromagnetic field of normal modes in the accelerating modules of LIA, as well as we determined the dependence of the oscillation amplitude of these modes’ EM field on the number of accelerating module. This dependence was compared with the result of modeling of development dynamics of transverse instability in LIA that was performed using the created program system. This allowed us to determine the size of the increment of transverse instability of a relativistic electron beam under the given experimental conditions. Based on the acquired results, we made the analysis of possibility to use the beam generated in ILA as a driver for the FEL generator of coherent impulses of THz radiation within the frequency range of 0.3–1.2 THz with a sub-gigawatt level of power.

линейный индукционный ускорительсильноточный релятивистский электронный пучокпоперечная неустойчивость пучкаускорительный модульдипольные колебаниятерагерцовый ЛСЭlinear induction acceleratorhigh-current relativistic electron beamtransverse beam instabilityaccelerating moduledipole oscillationterahertz FELОсновная доля исследований проведена в ИЯФ СО РАН: работы, описанные в разделе 3, частично выполнены за счет средств гранта Российского научного фонда (грант № 19–12– 00212). Эксперименты по генерации в ЛИУ пучка электронов с током 1 кА энергией 8,5 МэВ проводились в коллаборации с РФЯЦ ВНИИТФ. Авторы выражают искреннюю благодарность А. В. Бурдакову, Н. А. Винокурову, В. Н. Волкову и Е. К. Кенжебулатову за полезные замечания и обсуждения в ходе проведения исследований.ReferencesNikiforov D. A., Blinov M. F., Fedorov V. V. et al. High-Current Electron-Beam Transport in the LIA-5 Linear Induction Accelerator. Phys. Part. Nuclei Lett. 17, 2020, p. 197–203. DOI 10.1134/S1547477120020156.Nikiforov D. A., Blinov M. F., Fedorov V. V. et al. High-Current Electron-Beam Transport in the LIA-5 Linear Induction Accelerator. Phys. Part. Nuclei Lett. 17, 2020, p. 197–203. DOI 10.1134/S1547477120020156.Sinitsky S. L., Sandalov E. S., Skovorodin D. I. et al. High Current Electron Beam Transport and Focusing at the Linear Induction Accelerator. IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 2020, p. 191. DOI 10.1109/ICOPS37625.2020.9717608.Sinitsky S. L., Sandalov E. S., Skovorodin D. I. et al. High Current Electron Beam Transport and Focusing at the Linear Induction Accelerator. IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 2020, p. 191. DOI 10.1109/ICOPS37625.2020.9717608.Ekdahl C. Modern electron accelerators for radiography, IEEE Trans. Plasma Sci., 2002, vol. 30, no. 1, p. 254–261.Ekdahl C. Modern electron accelerators for radiography, IEEE Trans. Plasma Sci., 2002, vol. 30, no. 1, p. 254–261.Takayama K., Briggs R. Induction accelerators. Berlin Heidelberg: Springer, 2011.Takayama K., Briggs R. Induction accelerators. Berlin Heidelberg: Springer, 2011.Ekdahl C. Electron-Beam Corkscrew Motion in an Advanced Linear Induction Accelerator. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 11, p. 3548-3553. DOI 10.1109/TPS.2021.3120877.Ekdahl C. Electron-Beam Corkscrew Motion in an Advanced Linear Induction Accelerator. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 11, p. 3548-3553. DOI 10.1109/TPS.2021.3120877.Godfrey B. B., Hughes T. P. Beam-breakup and image-displacement instability coupling impedances in high-current electron-beam induction accelerators. Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference. Accelerator Science and Technology, 1989, vol. 2, p. 1023–1025. DOI 10.1109/PAC.1989.73341.Godfrey B. B., Hughes T. P. Beam-breakup and image-displacement instability coupling impedances in high-current electron-beam induction accelerators. Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference. Accelerator Science and Technology, 1989, vol. 2, p. 1023–1025. DOI 10.1109/PAC.1989.73341.Ekdahl C. The Ion-Hose Instability in a High-Current Multipulse Linear Induction Accelerator. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, vol. 47, no. 1, p. 300–306. DOI 10.1109/TPS.2018.2872472.Ekdahl C. The Ion-Hose Instability in a High-Current Multipulse Linear Induction Accelerator. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, vol. 47, no. 1, p. 300–306. DOI 10.1109/TPS.2018.2872472.Ekdahl C.The Resistive-Wall Instability in Multipulse Linear Induction Accelerators.IEEETransactions on Plasma Science, 2017, vol. 45, no. 5, p. 811–818. DOI 10.1109/TPS.2017.2681040.Ekdahl C.The Resistive-Wall Instability in Multipulse Linear Induction Accelerators.IEEETransactions on Plasma Science, 2017, vol. 45, no. 5, p. 811–818. DOI 10.1109/TPS.2017.2681040.Panofsky W. K. H., Bander M. Asymptotic theory of beambreakup in linear accelerators. Rev. Sci. Instrum, 1968, vol. 39, p. 206–212.Panofsky W. K. H., Bander M. Asymptotic theory of beambreakup in linear accelerators. Rev. Sci. Instrum, 1968, vol. 39, p. 206–212.Neil V. K., Hall L. S., Cooper R. K. Further theoretical studies of the beam breakup instability. Particle Accel, 1979, vol. 9, no. 4, p. 213–222.Neil V. K., Hall L. S., Cooper R. K. Further theoretical studies of the beam breakup instability. Particle Accel, 1979, vol. 9, no. 4, p. 213–222.Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей, 2-е изд., перераб. и доп. Энергоатомиздат, 1991. 528 с.Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей, 2-е изд., перераб. и доп. Энергоатомиздат, 1991. 528 с.Ekdahl C., Coleman J. E., McCuistian B. T. Beam breakup in an advanced linear induction accelerator. IEEE Trans. Plasma Sci., 2016, vol. 44, no. 7, p. 1094–1102. DOI 10.1109/TPS.2016.2571123.Ekdahl C., Coleman J. E., McCuistian B. T. Beam breakup in an advanced linear induction accelerator. IEEE Trans. Plasma Sci., 2016, vol. 44, no. 7, p. 1094–1102. DOI 10.1109/TPS.2016.2571123.Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S., Malkin A. M. et al. Powerful Long-Pulse THz-Band Bragg FEL Based On Linear Induction Accelerator. 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2019, p. 1–2. DOI 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874573.Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S., Malkin A. M. et al. Powerful Long-Pulse THz-Band Bragg FEL Based On Linear Induction Accelerator. 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2019, p. 1–2. DOI 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874573.Peskov N. Yu., Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S. et al. Project of powerful long-pulse Bragg FEL of sub-THz to THz band: design, simulations and components testing. Proc. SPIE 11582, Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications, 2020. DOI 10.1117/12.2579554.Peskov N. Yu., Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S. et al. Project of powerful long-pulse Bragg FEL of sub-THz to THz band: design, simulations and components testing. Proc. SPIE 11582, Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications, 2020. DOI 10.1117/12.2579554.Tan P., Huang J., Liu K. et al. Terahertz radiation sources based on free electron lasers and their applications. Science China Information Sciences, 2012, p. 1–15. DOI 10.1007/s11432-011-4515-1.Tan P., Huang J., Liu K. et al. Terahertz radiation sources based on free electron lasers and their applications. Science China Information Sciences, 2012, p. 1–15. DOI 10.1007/s11432-011-4515-1.Shevchenko O. A., Arbuzov V. S., Vinokurov N. A. et al. The Novosibirsk Free Electron Laser – Unique Source of Terahertz and Infrared Coherent Radiation. Phys. Procedia, 2016, p. 13– 18. DOI 10.1016/j.phpro.2016.11.004.Shevchenko O. A., Arbuzov V. S., Vinokurov N. A. et al. The Novosibirsk Free Electron Laser – Unique Source of Terahertz and Infrared Coherent Radiation. Phys. Procedia, 2016, p. 13– 18. DOI 10.1016/j.phpro.2016.11.004.Gallerano G. P. et al. The physics of and prospects for THz-compact FELs. Terahertz Science and Technology, 2014, vol. 7, no. 4, p.160.Gallerano G. P. et al. The physics of and prospects for THz-compact FELs. Terahertz Science and Technology, 2014, vol. 7, no. 4, p.160.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Studies on Electron Beam Transport in a Linear Induction Accelerator for Free Electron Laser Application. IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 2021 p. 1–1. DOI 10.1109/ICOPS36761.2021.9588436.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Studies on Electron Beam Transport in a Linear Induction Accelerator for Free Electron Laser Application. IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 2021 p. 1–1. DOI 10.1109/ICOPS36761.2021.9588436.Logachev P., Kuznetsov G., Korepanov A. et al. LIU–2 linear induction accelerator. Instrum. Experim. Techn., 2013, vol. 56, no. 6, p. 672–679. DOI 10.1134/S0020441213060195.Logachev P., Kuznetsov G., Korepanov A. et al. LIU–2 linear induction accelerator. Instrum. Experim. Techn., 2013, vol. 56, no. 6, p. 672–679. DOI 10.1134/S0020441213060195.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Electrodynamic System of the Linear Induction Accelerator Module. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 2, p. 718–728. DOI 10.1109/TPS.2020.3045345.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Electrodynamic System of the Linear Induction Accelerator Module. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 2, p. 718–728. DOI 10.1109/TPS.2020.3045345.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Emittance Variation of a High-Current Relativistic Electron Beam in a Bend Magnet. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 9, p. 2737–2749. DOI 10.1109/TPS.2021.3105661.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Emittance Variation of a High-Current Relativistic Electron Beam in a Bend Magnet. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 9, p. 2737–2749. DOI 10.1109/TPS.2021.3105661.Lee E. P. Cancellation of the centrifugal space charge force. Part. Accel., 1990, vol. 25, p. 241.Lee E. P. Cancellation of the centrifugal space charge force. Part. Accel., 1990, vol. 25, p. 241.Nikiforov D. A., Petrenko A. V., Sinitsky S. L. et al. Investigation of high current electron beam dynamics in linear induction accelerator for creation of a high-power THz radiation source. Journal of Instrumentation, 2021, vol.16, P. 11024. DOI 10.1088/1748-0221/16/11/P11024.Nikiforov D. A., Petrenko A. V., Sinitsky S. L. et al. Investigation of high current electron beam dynamics in linear induction accelerator for creation of a high-power THz radiation source. Journal of Instrumentation, 2021, vol.16, P. 11024. DOI 10.1088/1748-0221/16/11/P11024.Ekdahl C. et al. Long-pulse beam stability experiments on the DARHT-II linear induction accelerator, IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 2006, p. 460–466.Ekdahl C. et al. Long-pulse beam stability experiments on the DARHT-II linear induction accelerator, IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 2006, p. 460–466.Сандалов Е. С., Синицкий С. Л., Сковородин Д. И. и др. Исследование поперечной неустойчивости сильноточного релятивистского электронного пучка в линейном индукционном ускорителе // Сибирский физический журнал. 2022. Т. 17, № 1. С. 5–22. DOI 10.25205/2541-9447-2022-17-1-5-22.Сандалов Е. С., Синицкий С. Л., Сковородин Д. И. и др. Исследование поперечной неустойчивости сильноточного релятивистского электронного пучка в линейном индукционном ускорителе // Сибирский физический журнал. 2022. Т. 17, № 1. С. 5–22. DOI 10.25205/2541-9447-2022-17-1-5-22.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Nikiforov D. A. et al. Theoretical and Experimental Studies on Compression and Transport of an Intense Electron Beam in the Channel of sub-mm FEL. 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMWTHz), 2022, p. 1–2. DOI 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567073.Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Nikiforov D. A. et al. Theoretical and Experimental Studies on Compression and Transport of an Intense Electron Beam in the Channel of sub-mm FEL. 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMWTHz), 2022, p. 1–2. DOI 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567073.Ковaлев Н. Ф., Оpловa И. М., Петелин М. И. // Изв. ВУЗов: Paдиофизикa. 1968. Т. 11, № 5. С.783–786.Ковaлев Н. Ф., Оpловa И. М., Петелин М. И. // Изв. ВУЗов: Paдиофизикa. 1968. Т. 11, № 5. С.783–786.Bratman V. L., Denisov G. G., Ginzburg N. S., Petelin M. I. // IEEE J. Quant. Electr., 1983. V. QE-19, no. 3, p. 282–296. DOI 10.1109/JQE.1983.1071840.Bratman V. L., Denisov G. G., Ginzburg N. S., Petelin M. I. // IEEE J. Quant. Electr., 1983. V. QE-19, no. 3, p. 282–296. DOI 10.1109/JQE.1983.1071840.Гинзбург Н. С., Малкин А. М., Песков Н. Ю., Сергеев А. С. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 20. С. 60–69. DOI 10.1134/S1063785006100245.Гинзбург Н. С., Малкин А. М., Песков Н. Ю., Сергеев А. С. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 20. С. 60–69. DOI 10.1134/S1063785006100245.Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S., Kalinin P. V. et al // Appl. Phys. Lett., 2012. V. 101, P. 083507. DOI 10.1063/1.4747149.Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S., Kalinin P. V. et al // Appl. Phys. Lett., 2012. V. 101, P. 083507. DOI 10.1063/1.4747149.Песков Н. Ю., Гинзбург Н. С., Заславский В. Ю. и др. Мощный длинноимпульсный брэгговский ЛСЭ суб-ТГЦ/ТГц диапазона: разработка и тестирование электродинамической системы // VII Всероссийская микроволновая конференция: сборник трудов, 2020. С. 72 – 76.Песков Н. Ю., Гинзбург Н. С., Заславский В. Ю. и др. Мощный длинноимпульсный брэгговский ЛСЭ суб-ТГЦ/ТГц диапазона: разработка и тестирование электродинамической системы // VII Всероссийская микроволновая конференция: сборник трудов, 2020. С. 72 – 76.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.