Пучково-плазменный генератор ТГц-излучения на основе индукционного ускорителя (проект ЛИУ-ПЭТ)

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.

1. ThruVision T5000 T-Ray Camera sees through Clothes (http://www.i4u.com/article15314.html). I4u.com. Retrieved 17 May 2012.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Nanni E. A. et al. Terahertz-driven linear electron acceleration //Nature communications. 2015. Т. 6. №. 1. С. 8486.

7. Jing C. Dielectric wakefield accelerators //Reviews of Accelerator Science and Technology. 2016. Т. 9. С. 127–149.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Аржанников А. В., Тимофеев И. В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник субмиллиметрового излучения. Вестник НГУ. Серия: Физика, 11(4), pp.78–104, 2016.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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/10.25205/2541-9447-2022-17-1-5-22

21. Сандалов 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 10.25205/2541-9447-2022-17-2-16-29

22. 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.

23. Аржанников А. В., Бурдаков А. В., Койдан В. С. и др. Письма в ЖЭТФ, 1978, Т. 227, вып. 3, стр. 173–177.

24. 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.

25. Brejzman B. N., Ryutov D. D. Nuclear Fusion. 1974. Vol. 14. N6. P. 873–907.

26. 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.

27. Аржанников А. В. Макроскопические характеристики взаимодействия релятивистского электронного пучка с плазмой в магнитном поле: дисс. …канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1980.

28. 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.

29. 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.

30. KV-envelope code, https://github.com/fuodorov/kenv