Influence of phase of input oscillations on excitation of fast cyclotron wave in double-resonator accelerator of electrons

Abstract

Dynamics of excitation of fast cyclotron wave of electron beam was studied in double-resonator accelerator of electrons with cyclotron resonance a well as an influence of phase of input microwave oscillations. Numerical simulation of wave excitation processes showed the possibility of highly efficient acceleration of electrons if microwave power would be introduced simultaneously into both resonators of the device. The results of modeling a device with a low RF power level are consistent with the conclusions of the analytical theory for a filamentary electron beam. While maintaining cyclotron resonance conditions in a magnetic field being constant over the length of the device, the best in this case is the coincidence of the phases of RF oscillations in both resonators. In the case of high input power, special attention must be paid to the choice of the optimal profile of the magnetic field along the length of the accelerator and to the deceleration of the beam arising induced by the radial components of the converging magnetic field. Deviations from cyclotron resonance conditions at the accelerator length may result in a non-zero optimum phase shift of microwave oscillations in the resonators. It has been shown that by reducing the beam current in a double-resonator accelerator, it is possible to significantly increase the energy of accelerated electrons while maintaining the RF power level at the inputs.

• accelerator of electrons
• cyclotron resonance
• fast cyclotron wave

Аннотация (на русском)

Влияние фазы входных колебаний на возбуждение быстрой циклотронной волны в двухрезонаторном ускорителе электронов

Изучена динамика возбуждения быстрой циклотронной волны электронного потока и влияние фазы входных СВЧ колебаний в двух последовательных резонаторах ускорителя электронов с циклотронным резонансом. Численное моделирование процессов возбуждения показало возможность высокоэффективного ускорения электронов при одновременном вводе энергии СВЧ колебаний в электронный поток в двух резонаторах. Результаты моделирования устройства с малым уровнем ВЧ мощности согласуются с выводами аналитической теории для нитевидного электронного пучка. При сохранении условий циклотронного резонанса в постоянном на длине устройства магнитном поле оптимальным в этом случае является совпадение фаз ВЧ колебаний в обоих резонаторах. В случае большой входной мощности необходимо уделить особое внимание выбору оптимального профиля магнитного поля вдоль длины ускорителя и торможению пучка, возникающему под действием радиальных компонент сходящегося магнитного поля. Отклонения от условий циклотронного резонанса на длине ускорителя могут привести в отличному от нуля оптимальному сдвигу фаз ВЧ колебаний в резонаторах. Показано, что благодаря уменьшению тока пучка в двух-резонаторном ускорителе, можно значительно увеличить энергию ускоренных электронов при сохранении уровня ВЧ мощности на входах.

For citation

References

1. Черняев А.П. Радиационные технологии. Наука. Народное хозяйство. Медицина. - 2018.
2. Санжарова Н.И., Козьмин Г.В., Бондаренко В.С. Радиационные технологии в сельском хозяйстве: стратегия научно-технологического развития // Инноватика и экспертиза: научные труды. - 2016. - №. 1. - С. 197-206.
3. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - Энергоатомиздат, 1991.
4. Ванке В.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. Сверхмалошумящие усилители циклотронных волн // Успехи физических наук. - 1969. - Т. 99. - №. 12. - С. 545-569. https://doi.org/10.3367/UFNr.0099.196912a.0545
5. Будзинский Ю.А. и др. Электронные приборы СВЧ на быстрой циклотронной волне электронного потока // Радиотехника. - 1999. - №. 4. - С. 32.
6. Будзинский Ю.А. и др. Становление, развитие и перспективы СВЧ-приборов на циклотронном резонансе электронного потока // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. - 2013. - №. 3. - С. 136-141.
7. Быковский С.В. и др. Циклотронные защитные устройства СВЧ // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. - 2020. - №. 1-2. - С. 49-50. https://doi.org/10.17725/rensit.2021.13.297
8. Ванке В.А. и др. К анализу физических процессов в переходной области циклотронного преобразователя энергии // Радиотехника и электроника. - 1978. - Т. 23. - №. 6. - С. 1217-1226.
9. Ванке В.А., Коннов А.В., Саввин В.Л. ЛБВ с циркулярно поляризованным полем // Электронная техника, сер. Электроника СВЧ. - 1987. - №. 4 (398). - С. 20.
10. Саввин В.Л. и др. Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе // Журнал радиоэлектроники. - 2011. - №. 11.
11. Ванке В.А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике // Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175. - №. 9. - С. 957-978. https://doi.org/10.3367/UFNr.0175.200509e.0957
12. Dougar-Jabon V.D., Orozco E.A., Umnov A.M. Modeling of electron cyclotron resonance acceleration in a stationary inhomogeneous magnetic field // Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams. - 2008. - Т. 11. - №. 4. - С. 041302. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.11.041302
13. Dugar-Zhabon V.D., González J.D., Orozco E.A. 3D electromagnetic simulation of spatial autoresonance acceleration of electron beams // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Т. 687. - №. 1. - С. 012077. https://doi.org/10.1088/1742-6596/687/1/012077
14. Dugar-Zhabon V.D., Orozco E.A., Herrera A.M. Self-consistent simulation of an electron beam for a new autoresonant x-ray generator based on TE 102 rectangular mode // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Т. 687. - №. 1. - С. 012076. https://doi.org/10.1088/1742-6596/687/1/012076
15. Саввин В.Л. и др. О влиянии магнитных компонент высокочастотного поля при пространственном циклотронном авторезонансе // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2019. - Т. 83. - №. 1. - С. 54-57. https://doi.org/10.1134/S03676763519010216
16. Саввин В.Л., Коннов А.В., Казарян Г.М. Источник рентгеновского излучения с циклотронным авторезонансом // Описание патента RU2760284C1. -2021.