Исследование инкремента поперечной неустойчивости килоамперного электронного пучка в ЛИУ для его применения в терагерцовом ЛСЭ

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.

1. 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.

2. 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.

3. Ekdahl C. Modern electron accelerators for radiography, IEEE Trans. Plasma Sci., 2002, vol. 30, no. 1, p. 254–261.

4. Takayama K., Briggs R. Induction accelerators. Berlin Heidelberg: Springer, 2011.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Panofsky W. K. H., Bander M. Asymptotic theory of beambreakup in linear accelerators. Rev. Sci. Instrum, 1968, vol. 39, p. 206–212.

10. 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.

11. Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей, 2-е изд., перераб. и доп. Энергоатомиздат, 1991. 528 с.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Lee E. P. Cancellation of the centrifugal space charge force. Part. Accel., 1990, vol. 25, p. 241.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Ковaлев Н. Ф., Оpловa И. М., Петелин М. И. // Изв. ВУЗов: Paдиофизикa. 1968. Т. 11, № 5. С.783–786.

28. 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.

29. 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.

30. Arzhannikov A. V., Ginzburg N. S., Kalinin P. V. et al // Appl. Phys. Lett., 2012. V. 101, P. 083507. DOI 10.1063/1.4747149.

31. 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.