Анотація до роботи:

Онищенко М. І. “Прискорення заряджених частинок кільватерними полями в діелектрику і хвилями просторового заряду в релятивістському електронному пучку”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок. – Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2007.

Побудована 3-вимірна теорія збудження кільватерних полів у напівобмеженому діелектричному хвилеводі прямокутного перерізу коротким релятивістським електронним згустком та їх послідовністю. Отримані точні аналітичні вирази для полів збуджуваних Черенковських хвиль, перехідного випромінювання та хвилі „гасіння”. Показано, що в результаті інтерференції полів еквідистантних поперечних мод структура поздовжнього електричного поля має вид періодичних вузьких піків великої амплітуди змінної полярності („багатомодовий” режим). Досліджено резонаторну концепцію діелектричного кільватерного прискорювача, яка дозволяє при збереженні «багатомодового» режиму використовувати велику кількість електронних згустків, кільватерні поля яких когерентно підсумовуються („багатозгустковий” режим).

Досліджені нелінійні процеси взаємодії іонних потоків з віртуальним катодом, які забезпечують необхідні в колективному методі прискорювання іонів низькочастотну модуляцію закритичного релятивістського електронного пучка та попереднє прискорення іонів. Розроблена нелінійна теорія нестійкості потоку іонних осциляторів відносно збудження низькочастотних хвиль просторового заряду сильнострумового релятивістського електронного пучка, в якій з’ясовано механізм стабілізації такої нестійкості та визначена максимально досяжна енергія іонів.

У дисертації викладено результати теоретичних досліджень процесу збудження кільватерних полів у діелектричних структурах послідовністю коротких релятивістських електронних згустків і полів просторового заряду при взаємодії закритичних електронного та іонного пучків з метою їх використання для високоградієнтного прискорення заряджених частинок. Отримані в роботі наукові і практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. В розробленій в дисертації теорії збудження кільватерних полів коротким згустком релятивістських електронів у напівобмеженому діелектричному хвилеводі прямокутного перерізу з’ясовано, що сумарне збуджене поле складається з полів черенковських хвиль, перехідного випромінювання та хвилі «гасіння», які в теоретичному описі ідентифікуються точними аналітичними виразами.

2. Прямокутна геометрія діелектричної структури при збудженні в ній кільватерного поля коротким згустком релятивістських електронів дозволяє суттєво збільшити амплітуду поля, що прискорює, за рахунок інтерференції великої кількості збуджуваних еквідистантних поперечних мод („багатомодовий” режим). Сумарне кільватерне поле представляє собою послідовність коротких імпульсів змінної полярності з амплітудою, що значно перевищує амплітуду основної моди. Для параметрів згустків, отриманих на існуючих прискорювачах (понад 10¹⁰ електронів/см³ з розмірами десятки мкм) градієнт, що прискорює, може сягати 1 ГеВ/м. Це дає змогу зменшити габарити прискорювача більше ніж на порядок.

3. При збудженні напівобмеженого прямокутного діелектричного хвилеводу послідовністю коротких згустків релятивістських електронів („багатозгустковий” режим) кількість електронних згустків, кільватерні поля яких дають когерентний вклад в сумарне поле обмежена, що обумовлюється відходом збудженої кільватерної хвилі з груповою швидкістю від площини вльоту згустку.

4. Теоретично визначений частотний спектр збуджених хвиль, їх топографія та амплітуда поля, що прискорює, для параметрів експерименту; що проводиться в ННЦ ХФТІ, підтверджують і пояснюють уже отримані експериментальні результатами та дають можливість розробляти повномасштабні прискорювачі, засновані на нових принципах.

5. Значення потужності і параметри частотного спектру надширокосмугового перехідного випромінювання, що збуджується коротким електронним згустком при вході у вакуумний хвилевод, представляють інтерес для надширокосмугової радіолокації. Надкороткі імпульси черенковського кільватерного поля, що збуджуються в заповненому діелектриком хвилеводі, являються перспективними як для надширокосмугового черенковського випромінювання, так і для інших застосувань.

6. При збудженні кільватерного поля послідовністю згустків в діелектричній структурі кінцевої довжини з вакуумним каналом для згустків найбільша амплітуда поздовжнього електричного поля, що прискорює, досягається поблизу заднього фронту кільватерного поля, збудженого першим згустком послідовності. Максимально досяжне поле визначається параметрами хвилеводу і послідовності згустків, воно не залежить від загальної кількості згустків, що пройшли через систему. Для великої кількості згустків величина збудженого кільватерного поля лінійно зростає з відстанню від входу в структуру і на виході визначається сумарним полем когерентно збуджуючих згустків, кількість яких пропорційна довжині структури. Промодельована динаміка прискорення електронів відповідає фізичним принципам, що закладені в кільватерний метод прискорення.

7. Резонаторна концепція діелектричного кільватерного прискорювача при збереженні «багатомодового» режиму дозволяє використовувати значно більша кількість електронних згустків, кільватерні поля яких підсумовуються в поле, що прискорює. Амплітуда поля зростає пропорційно кількості інжектованих в резонатор згустків і для ультрарелятивістських електронів обмежується тільки добротністю резонатора. При цьому необхідно, щоб період проходження згустків співпадав з часом прямого і зворотного розповсюдження імпульсу кільватерного поля.

8. Процеси взаємодії іонних потоків з віртуальним катодом забезпечують низькочастотну модуляцію сильнострумового релятивістського електронного пучка та попереднє прискорення іонів, які необхідні в колективному прискорювачі іонів, що базується на полях просторового заряду в сильнострумовому релятивістському електронному пучку з часовою і просторовою модуляцією.

9. Нелінійна теорія нестійкості потоку іонних осциляторів відносно збудження низькочастотних хвиль просторового заряду сильнострумового релятивістського електронного пучка виявила механізм стабілізації цієї нестійкості, який визначає максимально можливу довжину прискорення і енергію іонів в колективному іонному прискорювачі.

Публікації автора:

1. Онищенко Н.И., Сотников Г.В. Возбуждение черенковского излучения в полубесконечном диэлектрическом волноводе прямоугольного сечения последовательностью электронных сгустков // Вопросы Атомной Науки и Техники – ВАНТ, серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (4).- 2004.-№4.-C. 104-109.

2. Балакирев В.А. Онищенко Н.И. Нелинейная теория низкочастотного взаимодействия ионных потоков с виртуальным катодом электронного пучка // Физика плазмы.-2005.-T.31, № 6.-C. 530-538.

3. Балакирев В.А. Онищенко Н.И. Возбуждение НЧ колебаний при взаимодействии сильноточного релятивистского электронного пучка с радиальным ионным потоком // ЖТФ.- 2005.- Т. 75, вып. 5.-C. 124-128.

4. Onishchenko N.I., Sidorenko D.Yu., Sotnikov G.V. Acceleration of electrons by wake fields of a regular train of bunches in a dielectric waveguide of finite length // УФЖ.- 2003.- Т. 48, №1.-С. 17-26.

5. Onishchenko N.I., Sotnikov G.V. Coherent summation of wake fields excited by electron bunch sequence in the planar multimode dielectric resonator // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations (46).-2006.-No.2.-P.73-75.

6. Balakirev V.A., Onishchenko N.I. Excitation of LF ion oscillations in the systems with relativistic electron beam // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics(10).- 2005.- No. 2.-P. 161-163.

7. Onishchenko N.I., Sotnikov G.V. Theoretical studies of the resonator concept of dielectric wakefield accelerator // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Electronics (5), - 2006.- No. 5. - P. 203-207.

8. Balakirev V.A., Onishchenko N.I., Sidorenko D.Yu., Sotnikov G.V. Short impulse of transition radiation excited by a relativistic electron bunch // Digest of Technical Papers PPC-2003 14^th IEEE International Pulsed Power Conference (Dallas, Texas USA, June 15-18, 2003).- V. 2.-Р. 1250-1253.

9. Балакирев В.А., Онищенко И.Н., Онищенко Н.И. Низкочастотное взаимодействие ионного потока со сверхтоковым релятивистским электронным пучком // Материалы 13-й Международной Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо’2003, 8-12 сентября, 2003 г., Севастополь, Крым, Украина.-С. 634-636.

10. Onishchenko I., Kiselev V., Linnik A., Onishchenko N., Sotnikov G., Uskov V. To the problem of wake-field excitation for advanced accelerator concept // Proceedings of 9^th European Particle Accelerator Conference, July 5-9, 2004. Lucerne, Switzerland.- P.770-772.

11. Onishchenko N.I., Marshall T.C., Sotnikov G.V. Wake Fields Excitation in a Semi-Infinite Rectangular Dielectric Waveguide by a Train of Electron Bunches // Eleventh Advanced Accelerator Concepts Workshop, Stony Brook NY, USA, 21-26 June, 2004.-AIP Conference Proceedings No.737.-P. 698-707.

12. Onishchenko N.I., Sotnikov G.V., and Marshall T.C. Amplitudes and spectra of wake fields in a planar dielectric resonator with finite Q-factor // 12th Advanced Accelerator Concepts Workshop Lake Geneva Wisconsin, 10-15 July 2006: Editors Manoel Conde and Catherine Eyberger; AIP Conference Proceedings, Melville New York.- 2006. -V. 877.- P.866-872.

13. Балакірєв В., Онищенко М. Нелінійна теорія взаємодії електронного і іонного пучків у закритичному режимі // Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2004, Львів,19-21 травня, 2004 - C.30.

14. Marshall T.C., Onishchenko N.I., Sotnikov G.V. Resonant Excitation of Selected Modes by a Train of Electron Bunches in a Rectangular Dielectric Wakefield Accelerator // Particle Accelerator Conference (PAC’2005), Knoxville Tennessee, USA.- 2005.-May 16-20.- Abstract TPAE010.-P.63.

15. Онищенко Н.И., Сотников Г.В. Теоретические исследования резонаторной концепции ускорителя на кильватерных полях в диэлектрике // Тезисы докладов III конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям, 28февраля- 4марта 2005 г., Харьков.- Секция 5. Исследование и разработка ускорителей и накопителей заряженных частиц.- Докл. 5.10.-С.49.

16. Онищенко Н.И. Возбуждение кильватерных полей в прямоугольном слоистом волноводе последовательностью электронных сгустков // Международная школа молодых ученых по ядерной физике и энергетике.- Алушта, Украина.- 2005.-12-18 июня- С.3.