Генерация, усиление и нелинейная трансформация импульсов сверхизлучения релятивистскими электронными пучками и сгустками

• Автор: Зотова, Ирина Валерьевна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 251 с. : 40 ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Циклотронное сверхизлучение сгустков электронов,

вращающихся в однородном магнитном поле

1.1 Теория циклотронного свсрхизлучения электронного сгустка

при движении в свободном пространстве

1.1.1 Основные уравнения в сопровождающей системе отсчета

1.1.2 Линейная теория. Инкремент сверхизлучательной неустойчивости

1.1.3 Нелинейная теория циклотронного СИ. Параметры импульсов СИ в лабораторной системе отсчета
1.2 Циклотронное сверхизлучение электронного сгустка в режиме группового синхронизма с волноводной модой
1.2.1 Основные уравнения в сопровождающей системе отсчета
1.2.2 Линейная теория. Инкременты и структура собственных мод активного резонатора, формируемого сгустком электронов, вращающихся в однородном магнитном поле
1.2.3 Нелинейная теория циклотронного СИ. Переход в лабораторную систему отсчета
1.2.4 Моделирование циклотронного СИ в режиме группового синхронизма на основе кода KARAT
1.2.5 Экспериментальное исследование циклотронного сверхизлучения в миллиметровом диапазоне длин волн
ГЛАВА 2. Черенковское сверхизлучение протяженных электронных сгустков при прямолинейном движении в замедляющих системах
2.1 Теоретическое и экспериментальное исследование черенковского сверхизлучения электронных сгустков при взаимодействии с попутной волной в волноводе, частично заполненном диэлектриком
2.1.1 Анализ в рамках одномерной модели

2.1.2 Моделирование процесса черепковского СИ в волноводе с диэлектрической вставкой на основе кода KARAT
2.1.3 Экспериментальное исследование черепковского сверхизлучения в волноводе с диэлектрической вставкой в 8-ми миллиметровом диапазоне длин волн
2.1.4 Оптимизация формы импульса ускоряющего напряжения с целью повышения пиковой мощности импульсов черепковского СИ
2.2 Черенковское сверхизлучение электронного сгустка при взаимодействии со встречной волной в периодически-гофрированном волноводе с однородными параметрами
2.2.1 Анализ в рамках одномерной модели
2.2.2 Моделирование черенковского СИ в периодически гофрированном волноводе на основе кода KARAT
2.2.3 Экспериментальное исследование черенковского СИ в миллиметровом диапазоне длин воли
2.3 Черенковское сверхизлучение протяженного электронного сгустка, движущегося над гофрированной поверхностью
2.3.1 Квазиоптическая теория черенковского СИ протяженного электронного сгустка при движении над гофрированной поверхностью
2.3.2 Формирование кильватерной волны при движении электронного сгустка над гофрированной поверхностью
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Инкременты абсолютной неустойчивости и структуры собственных мод в системе «электронный пучок-встречная волна» при больших превышениях над порогом
ГЛАВА 3. Сверхизлучение электронных сгустков при движении в бегущей волне накачки или периодическом магнитном поле ондулятора
3.1 Теоретическое и экспериментальное исследование опдуляторного СИ и СИ в процессе вынужденного встречного рассеяния при волноводном распространении излучения
3.1.1 Ондуляторное сверхизлучение в режиме группового синхронизма
3.1.2 Сверхизлучение сгустков электронов, осциллирующих в поле бегущей волны накачки

3.2 PIC моделирование коротковолнового сверхизлучения электронных сгустков с переходом в сопровождающую систему отсчета
3.3 Методы повышения пиковой мощности импульсов сверхизлучения
3.3.1 Генерация импульсов ондуляторного сверхизлучения электронными сгустками с модуляцией энергии частиц по длине сгустка
3.3.2 Генерация «гигантских» импульсов рассеянного излучения на движущемся фронте волны накачки
ГЛАВА 4. Эффекты нестационарного усиления коротких электромагнитных импульсов квазинепрерывными электронными потоками
4.1 Усиление коротких импульсов прямолинейными пучками в условиях черенковского механизма взаимодействия
4.1.1 Теоретический анализ особенностей усиления коротких импульсов стационарными электронными потоками
4.1.2 Экспериментальное наблюдение черенковского усиления импульсов микроволнового сверхизлучения в миллиметровом диапазоне
4.2 Усиление короткого электромагнитного импульса при распространении вдоль квазистационарного электронного пучка в ондуляторе
4.3 Усиление электромагнитных импульсов на основе циклотронного механизма взаимодействия в волноводе с многозаходной винтовой гофрировкой
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Автомодельные решения, описывающие процесс усиления и компрессии коротких электромагнитных импульсов при различных механизмах электронно-волнового взаимодействия
ГЛАВА 5. Самоиндуцпрованная прозрачность и компрессия электромагнитных импульсов при распространении в электронных потоках в условиях резонансного циклотронного поглощения
5.1 Формирование солитонов в невозбужденном электронном потоке при поперечном распространении короткого импульса по отношению к направлению ведущего магнитного поля

В Главе 3 исследованы эффекты сверхизлучения, возникающие при движении электронных сгустков в периодическом поле ондулятора или в поле волны накачки.
В миллиметровом диапазоне указанные механизмы СИ рассматриваются в условиях волноводного распространения излучения (Раздел 3.1). В п. 3.1.1 исследуются особенности ондуляторного СИ в режиме группового синхронизма, когда поступательная скорость сгустка совпадает с групповой скоростью волны, распространяющейся в волноводе (см. для сравнения Раздел 1.2). В рамках линейной теории продемонстрировано, что в этих условиях (аналогично случаю цкилотронного СИ) достигаются максимальные значения инкрементов еверхизлучательной неустойчивости. Анализ нелинейной стадии показывает, что отстройка от режима группового синхронизма помимо уменьшения инкрементов и мощности излучения приводит также к существенному усложнению продольной структуры нолей. Проведенный анализ позволил впервые экспериментально наблюдать ондуляторное сверхизлучение в режиме однопроходного усиления. В миллиметровом диапазоне в условиях группового синхронизма были зарегистрированы импульсы СИ с длительностью 300-500 пс и мощностью до 400 кВт.
В п. 3.1.2 исследуется эффект сверхизлучения, реализующийся в процессе вынужденного рассеяния волны накачки на движущемся электронном сгустке. При построении теоретической модели, основанной на методе усредненной пондермоторной силы, считалось, что поперечная структура рассеянной волны и волны накачки является фиксированной и совпадающей с одной из волноводных мод. При этом учитывалась фокусировка электронного пучка однородным магнитным полем. На основе развитой, а также с привлечением Р1С моделирования сделаны оценки пиковой мощности и длительности импульсов СИ при использовании микроволновой накачки и электронных сгустков, формируемых ускорителем РАДАН. Для экспериментального наблюдения обсуждаемого эффекта в миллиметровом диапазоне длин волн была создана установка на основе двух сильноточных ускорителей, синхронизованных с субнаносекундной точностью [94]. Электронный пучок с длительностью ~2 не, формируемый первым ускорителем, использовался для генерации низкочастотного