nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2023-18-4-79-93nguphys-293Research ArticleФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, УСКОРИТЕЛЕЙ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫHIGH-ENERGY AND ACCELERATOR PHYSICS, PHYSICS OF HIGH-TEMPERATURE PLASMAЧастотный спектр потока излучения, генерируемого пучково-плазменной системой с энергосодержанием десять джоулей в микросекундном импульсеFrequency Spectrum of Radiation Flux Generated by Beam-Plasma System with Ten Joules Energy Content in Microsecond Pulsehttps://orcid.org/0000-0002-8074-9737АржанниковА. В.ArzhannikovA. V.

Андрей Васильевич Аржанников, доктор физико-математических наук

Andrey V. Arzhannikov, Doctor of Physics and Mathematics

A.V.Arzhannikov@inp.nsk.suСиницкийС. Л.SinitskyS. L.

Станислав Леонидович Синицкий, кандидат физико-математических наук

Stanislav L. Sinitsky, Doctor of Physics and Mathematics

https://orcid.org/0000-0002-9914-9125СамцовД. А.SamtsovD. A.

Денис Алексеевич Самцов, младший научный сотрудник

Denis A. Samtsov, Junior Researcher

D.A.Samtsov@inp.nsk.suКалининП. В.KalininP. V.

Пётр Валериевич Калинин, научный сотрудник

Petr V. Kalinin, Researcher

ПоповС. С.PopovS. S.

Сергей Сергеевич Попов, кандидат физико-математических наук

Sergey S. Popov, Doctor of Physics and Mathematics

АтлухановМ. Г.AtlukhanovM. G.

Магомедризы Гаджимурадович Атлуханов, младший научный сотрудник

Magomedrizy G. Atlukhanov, Junior Researcher

СандаловЕ. С.SandalovE. S.

Евгений Сергеевич Сандалов, научный сотрудник

Evgeniy S. Sandalov, Researcher

СтепановВ. Д.StepanovV. D.

Василий Дмитриевич Степанов, научный сотрудник

Vasilii D. Stepanov, Researcher

КуклинК. Н.KuklinK. N.

Константин Николаевич Куклин, младший научный сотрудник

Konstantin N. Kuklin, Junior Researcher

МакаровМ. А.MakarovM. A.

Максим Александрович Макаров, ведущий инженер

Maxim A. Makarov, Leading Engineer

Институт ядерной физики СО РАН; Новосибирский государственный университетРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RAS; Novosibirsk State UniversityRussian FederationИнститут ядерной физики СО РАНРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RASRussian Federation2023120420241847993Copyright © Аржанников А.В., Синицкий С.Л., Самцов Д.А., Калинин П.В., Попов С.С., Атлуханов М.Г., Сандалов Е.С., Степанов В.Д., Куклин К.Н., Макаров М.А., 20242024Аржанников А.В., Синицкий С.Л., Самцов Д.А., Калинин П.В., Попов С.С., Атлуханов М.Г., Сандалов Е.С., Степанов В.Д., Куклин К.Н., Макаров М.А.Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L., Samtsov D.A., Kalinin P.V., Popov S.S., Atlukhanov M.G., Sandalov E.S., Stepanov V.D., Kuklin K.N., Makarov M.A.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/293

В статье сообщается о достижении энергосодержания 10 Дж в микросекундном импульсе направленного потока электромагнитного излучения в диапазоне частот ~0,2–0,3 ТГц. Генерация осуществляется принципиально новым методом, который реализуется за счет накачки верхнегибридных плазменных колебаний в замагниченном плазменном столбе при помощи релятивистского электронного пучка (РЭП) и последующего преобразования этих колебаний в поток электромагнитного излучения. В частности, в описываемых экспериментах, проводимых на установке ГОЛ-ПЭТ, данный метод реализован следующим образом: пучок электронов с энергией Е ~0,5 МэВ и плотностью тока (1–2) кА/см2 проходит через столб замагниченной (4 Тл) плазмы плотностью 1014–1015 см–3. В ходе сравнения спектрального состава излучения, измеренного экспериментально, с расчетным спектром доказано, что этот процесс реализуется за счет резонансной накачки таким пучком ветви верхнегибридных плазменных колебаний. Таким образом, одновременное увеличение плотности плазмы и плотности тока пучка открывает перспективу развития генерации мультимегаваттных потоков излучения в районе одного терагерца.

The work reports the achievement of an energy content of 10 J per microsecond pulse in a directed flux of electromagnetic radiation in the frequency range of ~ 0.2–0.3 THz. The flux is generated by a fundamentally new method, which is realized through the pumping of upper-hybrid plasma oscillations in a magnetized plasma column with a relativistic electron beam (REB) and their subsequent transformation into a flux of electromagnetic radiation. In the described experiments at the GOL-PET facility, this method to generate THz radiation is implemented in the following way a beam of electrons with energy E ~ 0.5 MeV with a current density of (1–2) kA/cm2 is passing through a magnetized (4 T) plasma column with a density of 1014–1015 cm–3. By comparing the experimentally measured spectral composition of the radiation flux with the calculated spectrum, it is proved that this process is realized through resonant pumping of the branch of upper-hybrid plasma waves by such beam. A coordinated increase in plasma density and beam current density opens up the prospect of advancement in the generation of multi-megawatt radiation fluxes in the region of one terahertz.

релятивистский электронный пучокплазмапучково-плазменное взаимодействиеволны в плазмеТГц-излучениемегаваттный поток излученияrelativistic electron beamplasmabeam-plasma interactionwaves in plasmaTHz radiationmegawatt radiation fluxЧасть исследования, посвященная измерению спектральной плотности мощности излучения, выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-12-00250-P).Authors appreciate Timofeev I.V. for discussion of theoretical aspects in solving scientific problem on electromagnetic wave emission from beam-plasma system.ReferencesMarkelz A. G., Mittleman D. M. Perspective on terahertz applications in bioscience and biotechnology // ACS Photonics. 2022. Vol. 9, no. 4. P. 1117–1126.Markelz A. G., Mittleman D. M. Perspective on terahertz applications in bioscience and biotechnology // ACS Photonics. 2022. Vol. 9, no. 4. P. 1117–1126.Cooper K. B., Dengler R. J., Llombart N. [et al.]. THz imaging radar for standoff personnel screening // IEEE transactions on terahertz science and technology. 2011. Vol. 1, no. 1. P. 169– 182.Cooper K. B., Dengler R. J., Llombart N. [et al.]. THz imaging radar for standoff personnel screening // IEEE transactions on terahertz science and technology. 2011. Vol. 1, no. 1. P. 169– 182.Michalchuk A. A. L., Hemingway J., Morrison C. A. Predicting the impact sensitivities of energetic materials through zone-center phonon up-pumping // The Journal of Chemical Physics. 2021. Vol. 154, no. 6. P. 064105.Michalchuk A. A. L., Hemingway J., Morrison C. A. Predicting the impact sensitivities of energetic materials through zone-center phonon up-pumping // The Journal of Chemical Physics. 2021. Vol. 154, no. 6. P. 064105.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Koidan V. S., Vyacheslavov L. N. Physics of REB–Plasma Interaction // Physics of REB-Plasma Interaction. Physica Scripta. 1982. Vol. 22. P. 303–310.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Koidan V. S., Vyacheslavov L. N. Physics of REB–Plasma Interaction // Physics of REB-Plasma Interaction. Physica Scripta. 1982. Vol. 22. P. 303–310.Ginzburg V. L., Zheleznyakov V. V. On the Propagation of Electromagnetic Waves in the Solar Corona, Taking Into Account the Influence of the Magnetic Field // Soviet Astronomy. 1959. Vol. 3. P. 235–246.Ginzburg V. L., Zheleznyakov V. V. On the Propagation of Electromagnetic Waves in the Solar Corona, Taking Into Account the Influence of the Magnetic Field // Soviet Astronomy. 1959. Vol. 3. P. 235–246.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 // Vestnik of Novosibirsk State University. Series: Physics. 2010. Vol. 5, no. 4. P. 44–49.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 // Vestnik of Novosibirsk State University. Series: Physics. 2010. Vol. 5, no. 4. P. 44–49.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kalinin P. V. et al. Properties of sub-THz waves generated by the plasma during interaction with relativistic electron beam // IRMMW-THz-2015 Conference Proceedings, TS-3133848.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kalinin P. V. et al. Properties of sub-THz waves generated by the plasma during interaction with relativistic electron beam // IRMMW-THz-2015 Conference Proceedings, TS-3133848.Timofeev A. V. Electromagnetic waves in a magnetized plasma near the critical surface // Phys. Usp. 2004. Vol. 47. P. 555.Timofeev A. V. Electromagnetic waves in a magnetized plasma near the critical surface // Phys. Usp. 2004. Vol. 47. P. 555.Timofeev I. V., Annenkov V. V., Arzhannikov A. V. Regimes of enhanced electromagnetic emission in beam-plasma interactions // Physics of Plasmas. 2015. Vol. 22. P. 113109. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4935890Timofeev I. V., Annenkov V. V., Arzhannikov A. V. Regimes of enhanced electromagnetic emission in beam-plasma interactions // Physics of Plasmas. 2015. Vol. 22. P. 113109. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4935890Arzhannikov 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. Vol. 59, no. 1. P. 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. Vol. 59, no. 1. P. 74–77.Arzhannikov A. V., and Timofeev I. V. Generation of powerful terahertz emission in a beamdriven strong plasma turbulence // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. Vol. 54, no. 10. 12. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S. et al. Dynamics and spectral composition of subterahertz emission from plasma column due to two-stream instability of strong relativistic electron beam // IEEE Transactions on terahertz science and technology. 2016. Vol. 6, no. 2. P. 245–252.Arzhannikov A. V., and Timofeev I. V. Generation of powerful terahertz emission in a beamdriven strong plasma turbulence // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. Vol. 54, no. 10. 12. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S. et al. Dynamics and spectral composition of subterahertz emission from plasma column due to two-stream instability of strong relativistic electron beam // IEEE Transactions on terahertz science and technology. 2016. Vol. 6, no. 2. P. 245–252.Arzhannikov A. V., Burmasov V. S., Ivanov I. A., et al. Mechanisms of submillimeter wave generation by kiloampere REB in a plasma column with strong density gradients // 44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Paris, 1–6 September 2019 (PID5878973).Arzhannikov A. V., Burmasov V. S., Ivanov I. A., et al. Mechanisms of submillimeter wave generation by kiloampere REB in a plasma column with strong density gradients // 44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Paris, 1–6 September 2019 (PID5878973).Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kasatov A. A. et al. Well-directed flux of megawatt sub-mm radiation generated by a relativistic electron beam in a magnetized plasma with strong density gradients // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2020. Vol. 62, no. 4. P. 045002.Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kasatov A. A. et al. Well-directed flux of megawatt sub-mm radiation generated by a relativistic electron beam in a magnetized plasma with strong density gradients // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2020. Vol. 62, no. 4. P. 045002.Samtsov D. A., Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L. et al. Generation of a directed flux of megawatt THz radiation as a result of strong REB-plasma interaction in a plasma column // IEEE Transactions on Plasma Science. 2021. Vol. 49, no. 11. P. 3371–3376.Samtsov D. A., Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L. et al. Generation of a directed flux of megawatt THz radiation as a result of strong REB-plasma interaction in a plasma column // IEEE Transactions on Plasma Science. 2021. Vol. 49, no. 11. P. 3371–3376.Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Popov S. S. 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 // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50, no. 8. P. 2348–2363.Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Popov S. S. 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 // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50, no. 8. P. 2348–2363.Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Самцов Д. А. и др. Энергосодержание и спектральный состав потока субмиллиметрового излучения c длительностью 5 мкс, генерируемого в плазме при релаксации РЭП // Физика плазмы. 2022. T. 48, № 10. С. 929–936.Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Самцов Д. А. и др. Энергосодержание и спектральный состав потока субмиллиметрового излучения c длительностью 5 мкс, генерируемого в плазме при релаксации РЭП // Физика плазмы. 2022. T. 48, № 10. С. 929–936.Arzhannikov A. V., Bobylev V. B., Nikolaev V. S. et al. Ribbon REB research on 0.7 MJ generator U-2 // 9-th Inter. Conf. on High-Power Particle Beams, Washington DC, May 1992. Proceedings. Vol. II: Electron beams. P. 1117–1123Arzhannikov A. V., Bobylev V. B., Nikolaev V. S. et al. Ribbon REB research on 0.7 MJ generator U-2 // 9-th Inter. Conf. on High-Power Particle Beams, Washington DC, May 1992. Proceedings. Vol. II: Electron beams. P. 1117–1123Arzhannikov A. V., Makarov M. A., Samtsov D. A. et al. New detector and data processing procedure to measure velocity angular distribution function of magnetized relativistic electrons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. Vol. 942. P. 162349.Arzhannikov A. V., Makarov M. A., Samtsov D. A. et al. New detector and data processing procedure to measure velocity angular distribution function of magnetized relativistic electrons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. Vol. 942. P. 162349.Popov S. S., Vyacheslavov L. N., Ivantsivskiy M. V. et al. Upgrading of Thomson scattering system for measurements of spatial dynamics of plasma heating in GOL-3 // Fusion Science and Technology. 2011. Vol. 59, no. 1. P. 292–294.Popov S. S., Vyacheslavov L. N., Ivantsivskiy M. V. et al. Upgrading of Thomson scattering system for measurements of spatial dynamics of plasma heating in GOL-3 // Fusion Science and Technology. 2011. Vol. 59, no. 1. P. 292–294.Бурмасов В. С., Бобылев В. Б., Иванова A. A. и др. Инфракрасный интерферометр для исследования субтермоядерной плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 2. С. 120–123.Бурмасов В. С., Бобылев В. Б., Иванова A. A. и др. Инфракрасный интерферометр для исследования субтермоядерной плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 2. С. 120–123.Рогалин В. Е., Каплунов И. А., Кропотов Г. И. Оптические материалы для THz диапазона // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 6. С. 851.Рогалин В. Е., Каплунов И. А., Кропотов Г. И. Оптические материалы для THz диапазона // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 6. С. 851.Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kuznetsov S. A. et al. Eight-Channel Polychromator for Spectral Measurements in the Frequency Band of 0.1-0.6 THz // Proceedings of the 2021 IEEE 22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials. IEEE, 2021. P. 101–105.Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kuznetsov S. A. et al. Eight-Channel Polychromator for Spectral Measurements in the Frequency Band of 0.1-0.6 THz // Proceedings of the 2021 IEEE 22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials. IEEE, 2021. P. 101–105.Зайцев Н. И., Иляков Е. В., Ковнеристый Ю. К. и др. Калориметр для измерения энергии мощного электромагнитного импульса // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 35. С. 153–154.Зайцев Н. И., Иляков Е. В., Ковнеристый Ю. К. и др. Калориметр для измерения энергии мощного электромагнитного импульса // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 35. С. 153–154.Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Старостенко Д. А. и др. Пучково-плазменный генератор ТГц-излучения на основе индукционного ускорителя (проект ЛИУ-ПЭТ) // Сибирский физический журнал. 2023. Т. 18, № 1. С. 28–42.Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Старостенко Д. А. и др. Пучково-плазменный генератор ТГц-излучения на основе индукционного ускорителя (проект ЛИУ-ПЭТ) // Сибирский физический журнал. 2023. Т. 18, № 1. С. 28–42.Самцов Д. А., Аржанников А. В., Синицкий С. Л. и др. Частотный спектр потока излучения в интервале частот 0,1-0,6 ТГц, генерируемого на установке ГОЛ-ПЭТ в различных условиях // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2022. Т. 65, № 5/6. С. 342-352. DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_05_342Самцов Д. А., Аржанников А. В., Синицкий С. Л. и др. Частотный спектр потока излучения в интервале частот 0,1-0,6 ТГц, генерируемого на установке ГОЛ-ПЭТ в различных условиях // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2022. Т. 65, № 5/6. С. 342-352. DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_05_342Аржанников А. В., Тимофеев И. В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник субмиллиметрового излучения // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2016. Т. 11, № 4. С. 78–104.Аржанников А. В., Тимофеев И. В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник субмиллиметрового излучения // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2016. Т. 11, № 4. С. 78–104.

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