nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2023-18-1-28-42nguphys-246Research ArticleФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, УСКОРИТЕЛЕЙ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫHIGH-ENERGY AND ACCELERATOR PHYSICS, PHYSICS OF HIGH-TEMPERATURE PLASMAПучково-плазменный генератор ТГц-излучения на основе индукционного ускорителя (проект ЛИУ-ПЭТ)Beam-Plasma Generator of the THz Radiation Based on an Induction Accelerator (LIA-PET Project)https://orcid.org/0000-0002-8074-9737АржанниковА. В.ArzhannikovA. V.

Аржанников Андрей Васильевич, доктор физико-математических наук 

Новосибирск

Andrey V. Arzhannikov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-8634-5346СиницкийС. 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.suСтаростенкоД. А.StarostenkoD. F.

Старостенко Дмитрий Анатольевич, научный сотрудник

Новосибирск

Dmitry A. Starostenko, researcher

Novosibirsk

D.A.Starostenko@inp.nsk.suhttps://orcid.org/0000-0002-3238-8703ЛогачевП. В.LogachevP. V.

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

Новосибирск

Pavel V. Logachev, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Academician RAS

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.suhttps://orcid.org/0000-0002-6034-5778НикифоровД. А.NikiforovD. A.

Никифоров Данила Алексеевич, научный сотрудник

Новосибирск

Danila A. Nikiforov, researcher

Novosibirsk

D.A.Nikiforov@inp.nsk.suПоповС. С.PopovS. S.

Попов Сергей Сергеевич, кандидат физико-математических наук

Новосибирск

Sergei S. Popov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences

Novosibirsk

S.S.Popov@inp.nsk.suКалининП. В.KalininP. V.

Калинин Петр Валерьевич, научный сотрудник

Новосибирск

Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS

Novosibirsk

P.V.Kalinin@inp.nsk.suСамцовД. А.SamtsovD. A.

Самцов Денис Алексеевич, младший научный сотрудник

Новосибирск

Denis A. Samtsov, junior researcher

Novosibirsk

D.A.Samtsov@inp.nsk.suhttps://orcid.org/0000-0003-0126-7519СандаловЕ. С.SandalovE. S.

Сандалов Евгений Сергеевич, научный сотрудник

Новосибирск

Evgeniy S. Sandalov, researcher

Novosibirsk

E.S.Sandalov@inp.nsk.suАтлухановМ. Г.AtlukhanovM. G.

Атлуханов Магомедризы Гаджимурадович, младший научный сотрудник

Новосибирск

Magomedrizy G. Atlukhanov, junior researcher

Novosibirsk

M.G.Atlukhanov@inp.nsk.suГригорьевА. Н.GrigorievA. N.

Григорьев Александр Николаевич, кандидат технических наук

Снежинск

Aleksandr N. Grigoriev, Candidate of Technical Sciences

Snezhinsk

alex_nick@mail.ruВоробьевС. О.VorobyovS. O.

Воробьев Семен Олегович, инженер-исследователь

Снежинск

Semyon O. Vorobyov, research engineer

Snezhinsk

s.vorobiov2010@yandex.ruПетровД. В.PetrovD. V.

Петров Дмитрий Витальевич, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

Снежинск

Dmitry V. Petrov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Corresponding Member RAS

Snezhinsk

ПротасР. В.ProtasR. V.

Протас Роман Викторович, кандидат технических наук

Снежинск

Roman V. Protas, Candidate of Technical Sciences

Snezhinsk

romanprotas@mail.ruИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАНРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RASRussian FederationФедеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е. И. Забабахина»РоссияRussian Federal Nuclear Center – Zababakhin All-Russia Research Institute of Technical PhysicsRussian Federation2023290820231812842Copyright © Аржанников А.В., Синицкий С.Л., Старостенко Д.А., Логачев П.В., Бак П.А., Никифоров Д.А., Попов С.С., Калинин П.В., Самцов Д.А., Сандалов Е.С., Атлуханов М.Г., Григорьев А.Н., Воробьев С.О., Петров Д.В., Протас Р.В., 20232023Аржанников А.В., Синицкий С.Л., Старостенко Д.А., Логачев П.В., Бак П.А., Никифоров Д.А., Попов С.С., Калинин П.В., Самцов Д.А., Сандалов Е.С., Атлуханов М.Г., Григорьев А.Н., Воробьев С.О., Петров Д.В., Протас Р.В.Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L., Starostenko D.F., Logachev P.V., Bak P.A., Nikiforov D.A., Popov S.S., Kalinin P.V., Samtsov D.A., Sandalov E.S., Atlukhanov M.G., Grigoriev A.N., Vorobyov S.O., Petrov D.V., 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/246

В ИЯФ СО РАН совместно с РФЯЦ-ВНИИТФ ведутся исследования в области создания новых источников электромагнитного излучения ТГц-диапазона. В рамках данной статьи представлен проект пучково-плазменного генератора ТГц-излучения на основе электронного пучка, генерируемого линейным индукционным ускорителем. В статье приведена схема такого генератора, а также описаны основные элементы системы формирования электронного пучка. Помимо этого, представлены результаты моделирования транспортировки и сжатия сечения пучка с током до 1 кА и энергией до 1 МэВ для последующей его инжекции в плазменную секцию с плотностью плазмы до 1015–1016 см-3. В статье также проведен анализ результатов предшествующих экспериментальных исследований пучково-плазменного взаимодействия при различных параметрах пучка и плазмы. На основе этого анализа сформулировано требование к соотношению электронных плотностей пучка и плазмы, которое необходимо удовлетворить при создании пучково-плазменного генератора ЭМ-излучения для диапазона 0,1–1 ТГц с импульсной мощностью в несколько МВт.

BINP SB RAS together with RFNC-VNIITF carry out a research in the field of creating new sources of electromagnetic radiation in the THz range. Within the framework of this article, a project of the THz beam-plasma generator based on an electron beam generated by a linear induction accelerator is presented. The article provides generator scheme and describes the main elements of the electron beam formation system. In addition, the results of modeling the beam transport and its cross-section compression are presented. These calculations were performed under the current up to 1 kA and energy up to 1 MeV for the subsequent injection of the beam into the plasma section with plasma density up to 1015 –1016 cm–3. The article also contains the analysis of previous experimental studies results which are connected with the beam-plasma interaction for various beam and plasma parameters. Based on this analysis, a requirement for the ratio of the beam and plasma electron densities was formulated. This requirement should be satisfied for creation of the beam-plasma generator of EM radiation for the range of 0.1–1 THz with a pulse power of several MW.

линейный индукционный ускорительрелятивистский электронный пучокпучково-плазменное взаимодействиенакачка верхнегибридных волн в плазмеLinear induction acceleratorrelativistic electron beambeam-plasma interactionpumping of upper hybrid waves in plasmaРаботы, описанные в разделах 1, 4, 5, частично выполнены за счет средств гранта Российского научного фонда № 19-12-00250.The work described in Sections 1, 4, 5 was partly supported by the Russian Science Foundation, grant No.19-12-00250.ReferencesThruVision T5000 T-Ray Camera sees through Clothes (http://www.i4u.com/article15314.html). I4u.com. Retrieved 17 May 2012.ThruVision T5000 T-Ray Camera sees through Clothes (http://www.i4u.com/article15314.html). I4u.com. Retrieved 17 May 2012.Parascandola, Bruno (23 January 2013). NYPD Commissioner says department will begin testing a new high-tech device that scans for concealed weapons (http://www.nydailynews.com/new-york/nypdreadies-scan-and-frisk-article-1.1245663). NYDailyNews.com. Retrieved 10 April 2013.Parascandola, Bruno (23 January 2013). NYPD Commissioner says department will begin testing a new high-tech device that scans for concealed weapons (http://www.nydailynews.com/new-york/nypdreadies-scan-and-frisk-article-1.1245663). NYDailyNews.com. Retrieved 10 April 2013.Parascandola, Rocco (22 February 2017). NYPD’s pricey, controversial ‘T-Ray’ gun sensors sit idle, but that’s OK with cops. New York Daily News. Retrieved 22 February 2017.Parascandola, Rocco (22 February 2017). NYPD’s pricey, controversial ‘T-Ray’ gun sensors sit idle, but that’s OK with cops. New York Daily News. Retrieved 22 February 2017.P. Hillger, J. Grzyb, R. Jain and U. R. Pfeiffer, Terahertz Imaging and Sensing Applications With Silicon-Based Technologies, in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 9, no. 1, pp. 1-19, Jan. 2019, doi: 10.1109/TTHZ.2018.2884852.P. Hillger, J. Grzyb, R. Jain and U. R. Pfeiffer, Terahertz Imaging and Sensing Applications With Silicon-Based Technologies, in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 9, no. 1, pp. 1-19, Jan. 2019, doi: 10.1109/TTHZ.2018.2884852.Ghavidel A. et al. A sensing demonstration of a sub THz radio link incorporating a lens antenna //Prog. Electromagn. Res. Lett. 2021. Т. 99. С. 119–126.Ghavidel A. et al. A sensing demonstration of a sub THz radio link incorporating a lens antenna // Prog. Electromagn. Res. Lett. 2021. Т. 99. С. 119–126.Nanni E. A. et al. Terahertz-driven linear electron acceleration //Nature communications. 2015. Т. 6. №. 1. С. 8486.Nanni E. A. et al. Terahertz-driven linear electron acceleration //Nature communications. 2015. Т. 6. №. 1. С. 8486.Jing C. Dielectric wakefield accelerators //Reviews of Accelerator Science and Technology. 2016. Т. 9. С. 127–149.Jing C. Dielectric wakefield accelerators //Reviews of Accelerator Science and Technology. 2016. Т. 9. С. 127–149.Thompson M. C. et al. Breakdown limits on gigavolt-per-meter electron-beam-driven wakefields in dielectric structures //Physical review letters. 2008. Т. 100. №. 21. С. 214801.Thompson M. C. et al. Breakdown limits on gigavolt-per-meter electron-beam-driven wakefields in dielectric structures // Physical review letters. 2008. Т. 100. №. 21. С. 214801.Aree T. et al. Low-frequency lattice vibrations from atomic displacement parameters of α-FOX-7, a high energy density material //Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 2022. Т. 78. №. 3.Aree T. et al. Low-frequency lattice vibrations from atomic displacement parameters of α-FOX-7, a high energy density material // Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 2022. Т. 78. №. 3.Аржанников А. В., Логачев П. В., Бак П. А. и др. Проект пучково-плазменного генератора ТГц-излучения на килоамперном пучке линейного индукционного ускорителя // Международная звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу ICPAF-2023. 2023. С. 251–251.Arzhannikov A. V., Logachev P. V., Bak P. A. et al. Theproject ofa beam-plasmagenerator of THzradiation on the kiloamperebeam of a linear induction accelerator// 50th International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion(ICPAF-2023). 2023. P. 251–251.Глявин М. Ю., Лучинин А. Г., Богдашов А. А. и др. Экспериментальное исследование импульсного терагерцевого гиротрона с рекордными значениями мощности и эффективности // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. №. 8–9. С. 550.Glyavin M. Yu., Lychinin A. G., Bogdashov A. A. et al. Experimental investigation of the pulsed terahertz gyrotron with record-breaking power and efficiency parameters // Radiophysics and Quantum Electronics. 2013. vol. 56., no. 8–9,P. 550.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kalinin P.V. et al. Subterahertz generation by strong langmuir turbulence at two-stream instability of high current 1-MeV REBs. 2010.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kalinin P.V. et al. Subterahertz generation by strong langmuir turbulence at two-stream instability of high current 1-MeV REBs. 2010.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kuznetsov S. A. et al. Subterahertz emission at strong REB-plasma interaction in multimirror trap GOL-3 //Fusion Science and Technology. 2011. Т. 59. №. 1T. С. 74–77.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kuznetsov S. A. et al. Subterahertz emission at strong REB-plasma interaction in multimirror trap GOL-3 //Fusion Science and Technology. 2011. Т. 59. №. 1T. С. 74–77.Arzhannikov A. V., and Timofeev I. V. Generation of powerful terahertz emission in a beam-driven strong plasma turbulence. Plasma Physics and Controlled Fusion 54.10 (2012): 105004.Arzhannikov A. V. and Timofeev I. V. Generation of powerful terahertz emission in a beamdriven strong plasma turbulence. Plasma Physics and Controlled Fusion 54.10 (2012): 105004.Аржанников А. В., Тимофеев И. В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник субмиллиметрового излучения. Вестник НГУ. Серия: Физика, 11(4), pp.78–104, 2016.Arzhannikov A. V. and Timofeev I. V. Intense beam-plasma interaction as a source of sub-mm radiation. Bulletinof NGU. Series: Physics, 11(4), pp.78–104, 2016.Глинский В. В., Тимофеев И. В., Анненков В. В., Аржанников А. В. // Сибирский физический журнал. 2019. Т. 14, № 4. С. 5–16. DOI 10.25205/2541-9447-2019-14-4-5-16.Glinsky V. V., Timofeev I. V., Annekov V. V., Arzhannikov A. V. // Siberian Journal of Physics.2019. v. 14, no. 4. P. 5–16. DOI 10.25205/2541-9447-2019-14-4-5-16.A. V. Arzhannikov, S. L. Sinitsky, S. S. Popov et al. Energy Content and Spectral Composition of a Submillimeter Radiation Flux Generated by a High-Current Electron Beam in a Plasma Column With Density Gradients, in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 50, no. 8, pp. 2348-2363, Aug. 2022, doi: 10.1109/TPS.2022.3183629.A. V. Arzhannikov, S. L. Sinitsky, S. S. Popov et al. Energy Content and Spectral Composition of a Submillimeter Radiation Flux Generated by a High-Current Electron Beam in a Plasma Column With Density Gradients, in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 50, no. 8, pp. 2348-2363, Aug. 2022, doi: 10.1109/TPS.2022.3183629.D. A. Starostenko, P. V. Logachev, A. V. Akimov et al. Results of operating LIA-2 in radiograph mode, Phys. Part. Nuclei Lett., Vol.11, no.5, pp.660–664, 2014. https://doi.org/10.1134/S1547477114050264.D. A. Starostenko, P. V. Logachev, A. V. Akimov et al. Results of operating LIA-2 in radiograph mode, Phys. Part. Nuclei Lett., Vol.11, no.5, pp.660–664, 2014. https://doi.org/10.1134/S1547477114050264.E. S. Sandalov, S. L. Sinitsky, A.V. Burdakov et al. Electrodynamic System of the Linear Induction Accelerator Module, in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 49, no. 2, pp. 718-728, Feb. 2021, doi: 10.1109/TPS.2020.3045345.E. S. Sandalov, S. L. Sinitsky, A.V. Burdakov et al. Electrodynamic System of the Linear Induction Accelerator Module, in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 49, no. 2, pp. 718-728, Feb. 2021, doi: 10.1109/TPS.2020.3045345.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;17(1):5-22. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-1-5-22Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Investigation of Transverse Instability of a High-Current Relativistic Electron Beam in a Linear Induction Accelerator. Siberian Journal of Physics, 2022, vol. 17, no. 1, pp. 5–22. (in Russ.) DOI 10.25205/2541-9447-2022-17-1-5-22Сандалов Е. С., Синицкий С. Л., Сковородин Д. И. и др. Исследование инкремента поперечной неустойчивости килоамперного электронного пучка в ЛИУ для его применения в терагерцевом ЛСЭ // Сибирский физический журнал. 2022. Т. 17, № 2. С. 16–29. DOI 10.25205/2541-9447-2022-17-2-16-29Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Skovorodin D. I. et al. Investigation of the Increment of Transverse Instability of a Kiloampere Electron Beam in a Linear Induction Accelerator for Its Use in a Terahertz FEL. Siberian Journal of Physics. 2022. vol. 17, no. 2, pp. 16–29. (in Russ.) DOI 10.25205/2541-9447-2022-17-2-16-29Nikiforov 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 16.11 (2021): 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 16.11 (2021): P11024.Аржанников А. В., Бурдаков А. В., Койдан В. С. и др. Письма в ЖЭТФ, 1978, Т. 227, вып. 3, стр. 173–177.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Koidan V. S. et al. JETP Letters, 1978, vol. 227, no. 3, pp. 173–177.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S. et al. Plasma heating in a solenoid by relativistic electron beam. Proc. of the 3rd Inter. Conf. on High Power Elec. and Ion Beam Res. and Tech., Novosibirsk, 1979, pp. 29–42.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S. et al. Plasma heating in a solenoid by relativistic electron beam. Proc. of the 3rd Inter. Conf. on High Power Elec. and Ion Beam Res. and Tech., Novosibirsk, 1979, pp. 29–42.Brejzman B. N., Ryutov D. D. Nuclear Fusion. 1974. Vol. 14. N6. P. 873–907.Brejzman B. N., Ryutov D. D. NuclearFusion. 1974. Vol. 14. N6. P. 873–907.Галеев А. А., Сагдеев Р. З., Шапиро В. Д., Шевченко В. И. Релаксация сильточных электронных пучков и модуляционная неустойчивость. ЖЭТФ, 1977, Т. 72. С. 507–517.Galeev А. А., Sagdeev R. Z., Shapiro V. D., Shevchenko V. I. Relaxation of high-current electron beams and modulation instability. JETP, 1977, V. 72. P. 507–517.Аржанников А. В. Макроскопические характеристики взаимодействия релятивистского электронного пучка с плазмой в магнитном поле: дисс. …канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1980.Arzhannikov A. V. Macroscopic characteristics of the interaction of a relativistic electron beam with a plasma in a magnetic field: diss. …cand. Phys.-Math. Sciences. Novosibirsk, 1980.Аржанников А. В., Синицкий С. Л. Килоамперные электронные пучки для накачки колебаний в вакууме и плазме. НГУ. Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2016. 258 с. С. 66–75.Arzhannikov A. V., SinitskyS. L. Kiloampere electron beams for pumping oscillations in vacuum and plasma. NSU. Novosibirsk: IPTs NSU, 2016. 258 p. pp. 66–75.Ivanov A. V., Tiunov M. A. ULTRASAM-2D code for simulation of electron guns with ultra high precision, in Proceeding of EPAC-2002, Paris, 2002, pp. 1634–1636.Ivanov A. V., Tiunov M. A. ULTRASAM-2D code for simulation of electron guns with ultra high precision, in Proceeding of EPAC-2002, Paris, 2002, pp. 1634–1636.KV-envelope code, https://github.com/fuodorov/kenvKV-envelope code, https://github.com/fuodorov/kenv

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