Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2002.
Дисертація присвячена теоретичному дослідженню динаміки процесів колективної взаємодії пучків заряджених частинок зі збуджуваними ними та зовнішніми електромагнітними полями при вимушеному розсіянні цих полів пучками заряджених частинок. На основі розроблених нових методів проведено дослідження розсіяння електромагнітних полів потоками релятивістських електронів у середовищі, в умовах надвипромінювання та потоками релятивістських електронів скінченної довжини. Запропоновані механізми підвищення ефективності розсіяння. Визначені умови, що забезпечують реалізацію процесу вимушеного когерентного випромінювання при взаємодії пучків заряджених частинок з зовнішніми періодичними полями у режимі підсилення власного спонтанного випромінювання. Запропоновані способи прискорення заряджених частинок за допомогою обернених процесів розсіяння електромагнітних хвиль у сповільнюючому середовищі.
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої наукової проблеми, що полягає у побудові повномасштабної самоузгодженої лінійної і нелінійної теорії процесів колективного обміну енергією потоків заряджених частинок зі збуджуваними ними та зовнішніми електромагнітними полями при вимушеному розсіянні полів цими зарядами. Теоретичне дослідження зазначених процесів базується на розв'язках набору ключових задач, що узагальнюють класичне розсіяння електромагнітних полів потоками релятивістських електронів на процес вимушеного розсіяння в середовищі, потоками релятивістських електронів скінченної довжини, поблизу порога вимушеного випромінювання та в умовах надвипромінювання. Для опису цих процесів застосовані відповідним чином узагальнені методи теоретичної фізики пучків заряджених частинок. Розроблено корпускулярний метод повномасштабного аналітичного і чисельного самоузгодженого моделювання руху потоку заряджених частинок у сумарному полі спонтанного випромінювання кожної з них, справедливий при довільній густині пучка, що охоплює режими як когерентного, так і спонтанного випромінювання. Наукове і практичне значення результатів і висновків самоузгодженої теорії вимушеного когерентного електромагнітного випромінювання потоками заряджених частинок у зовнішніх регулярно періодичних полях полягає в тому, що виявлені нові фізичні закономірності динаміки заряджених частинок і полів у режимі надвипромінювання; використані для моделювання режимів підсилення спонтанного електромагнітного випромінювання в ультракороткохвильових лазерах на вільних електронах; а також використані в розрахунках ефективності збудження прискорюючих полів у двопучковому прискорювачі іонів. Методи і результати досліджень, систематизовані в дисертації, дозволяють побудувати нові пристрої для генерування і підсилення інтенсивного когерентного короткохвильового випромінювання, що перебудовується по частоті, та розробити нові концепції прискорювачів заряджених частинок.
Основні результати дисертації і висновки, що випливають з них, є такими:
Розроблено метод самоузгодженого опису вимушеного розсіяння зовнішніх електромагнітних хвиль потоками заряджених частинок у середовищі, оснований на моделюванні руху частинок у полі падаючої хвилі і сумарному полі випромінювання окремих частинок цього потоку. За допомогою зазначеного методу установлено кількісний взаємозв'язок характеристик елементарного процесу аномального розсіяння електромагнітних хвиль зарядами, що рухаються, з відповідною йому колективною нестійкістю потоків заряджених частинок.
Побудовано теорію вимушеного когерентного розсіяння електромагнітних хвиль окремим згустком релятивістських електронів у середовищі. Визначено закон зростання інтенсивності розсіяної хвилі, її максимальне значення; знайдено довжину релаксації пучка для режиму інтенсивного підсилення власного спонтанного випромінювання (режим надвипромінювання). Показано, що в процесі розсіяння розвивається колективна нестійкість, що призводить до експоненційного росту інтенсивності розсіяного випромінювання. Знайдено залежність темпу зростання нестійкості від заряду згустка (показник експоненти прямо пропорційний кубічному кореню з величини заряду згустка і відстані, пройденої згустком, у степені дві треті). Максимальне значення коефіцієнта корисної дії перетворення кінетичної енергії електронів згустка в енергію розсіяного електромагнітного випромінювання збільшується з ростом заряду згустка пропорційно квадратному кореню з заряду згустка. Побудована теорія установлює нові закономірності розвитку процесу вимушеного розсіяння електромагнітних хвиль згустком релятивістських електронів.
Побудовано самоузгоджену лінійну і нелінійну теорію резонансного розсіяння на релятивістському електронному пучку електромагнітної хвилі, збудженої цим же пучком в умовах аномального ефекту Допплера в поздовжньому магнітному полі. Установлені аналітичні залежності від параметрів пучка і середовища основних характеристик процесу розсіяння: інкрементів, механізмів стабілізації нестійкості, максимальних значень амплітуди розсіяної високочастотної (ВЧ) електромагнітної хвилі. За допомогою чисельного моделювання досліджена нелінійна динаміка руху електронів пучка та еволюція амплітуд хвиль. На основі проведених досліджень запропоновано механізм підвищення ефективності перетворення енергії електронів пучка в енергію ВЧ хвилі, що полягає в розділенні у просторі областей взаємодії пучка з хвилями: в першій відбувається збудження хвилі накачування, у другій - підсилення ВЧ хвилі тим же пучком.
Теоретично вивчена когерентність електромагнітного випромінювання ансамблями із зліченного числа ідентичних заряджених частинок при розсіянні ними монохроматичної електромагнітної хвилі. Для ряду моделей таких ансамблів визначені і досліджені (аналітичними і чисельними методами) не відомі раніше загальні функціональні залежності інтенсивності розсіяного випромінювання від числа розсіювачів та характерної відстані між ними. Визначено, що ослаблення повної інтенсивності когерентного випромінювання згустків заряджених частинок з ростом середньої відстані між розсіювачами в згустку зумовлено зменшенням амплітуди поля зарядів випромінювачів у дальніх зонах кожного з них. Отримані аналітичні співвідношення дозволяють визначити величину інтенсивності розсіяної електромагнітної хвилі та ступінь когерентності випромінювання для згустків довільної структури з будь-яким зліченним числом зарядів-розсіювачів.
Методом повномасштабного самоузгодженого теоретичного моделювання колективної радіаційної взаємодії потоку електронів з полем спірального ондулятора установлено, що вимушене когерентне випромінювання інтенсивного релятивістського пучка електронів в ондуляторі в режимі підсилення власного спонтанного випромінювання має місце у випадку, коли середня відстань між електронами в системі спокою пучка мала порівняно з довжиною хвилі випромінювання в цій системі. У цьому методі динаміка руху електронів потоку визначається самоузгоджено з урахуванням впливу на цей рух полів спонтанного випромінювання окремих електронів цього потоку. Зазначений метод дозволяє описувати електромагнітну взаємодію потоку релятивістських електронів з зовнішніми періодичними полями при довільній густині пучка, забезпечує можливість повномасштабного моделювання процесів такої взаємодії у всій області параметрів системи: від режиму вимушеного когерентного випромінювання (режим лазера на вільних електронах) до режиму класичного джерела спонтанного ондуляторного випромінювання.
Уперше проведено чисельне моделювання самоузгодженої динаміки руху потоку точкових заряджених частинок у спіральному ондуляторі з урахуванням впливу на цей рух полів спонтанного ондуляторного випромінювання цих частинок. Для моделі потоку - лінійного ланцюжку випромінювачів визначено залежності ефективності когерентного випромінювання від числа частинок на довжині хвилі їх спонтанного випромінювання (погонної густини частинок). Результати досліджень дозволили з’ясувати умови та закономірності реалізації процесу вимушеної когерентної радіаційної взаємодії потоку електронів з полем ондулятора в режимі інтенсивного підсилення спонтанного випромінювання, що є важливим для визначення можливості створення лазерів на вільних електронах в області довжин хвиль від вакуумного ультрафіолету до м’якого рентгену.
Досліджено (аналітично та чисельним моделюванням) динаміку руху згустка релятивістських електронів у спіральному ондуляторі. Виявлено режим надвипромінювання, в якому початкові збурення густини електронів згустка зумовлені спонтанним когерентним випромінюванням електронів, що рухаються в кінці згустка. Установлено, що ефективність перетворення кінетичної енергії електронів в енергію когерентного електромагнітного випромінювання збільшується зі збільшенням довжини згустка при фіксованому значенні густини електронів. Результати досліджень дозволили з’ясувати фізичний механізм та встановити нові закономірності динаміки автомодуляції згустків релятивістських електронів в ондуляторі.
Запропоновано спосіб прискорення електронів, за допомогою оберненого процесу аномального розсіяння електромагнітної хвилі зарядженими частинками, що рухаються. Показано, що електрони прискорюються під дією пондеромоторної сили в полі падаючої і розсіяної хвилі, які розповсюджуються в напрямку руху електронів. З урахуванням радіаційних втрат окремих частинок установлені основні закономірності процесу прискорення: визначена залежність енергії електронів від координати на довжині прискорення. Отримані аналітичні оцінки максимальної енергії електронів та характерної довжини, на якій відбувається прискорення, показують перспективність розробки прискорювачів на такому принципі.
Розроблено нову концепцію прискорення заряджених частинок, що базується на прискоренні заряджених частинок, захоплених Е-хвилею, що поширюється поперек постійного магнітного поля в періодичній електродинамічній структурі. Досліджено динаміку і стійкість руху частинок. Показано, що одночасна поперечна і фазова стійкість руху частинок може бути забезпечена нерезонансними просторовими гармоніками електромагнітної хвилі, без додаткових фокусуючих полів.
Побудовано самоузгоджену лінійну і нелінійну теорію збудження Е-хвилі потоком релятивістських електронів в умовах аномального ефекту Допплера в поздовжньому магнітному полі. Аналітично і чисельними методами досліджена динаміка руху електронів пучка і еволюція амплітуди хвилі. В області параметрів електродинамічної структури і пучка визначено порогове значення просторового інкремента, що розділяє якісно різні режими стабілізації нестійкості. Визначено, що значення коефіцієнта корисної дії збільшується зі зростанням струму пучка (пропорційно кореню квадратному із струму пучка) при інкрементах менших за порогове та досягає свого максимального значення при інкрементах більших за порогове. Побудована теорії дозволила отримати нові результати, які використані в розрахунках колективного двухпучкового прискорювача іонів.
Для опису компенсації об'ємного заряду релятивістського електронного пучка з замагніченими електронами у нейтральному газі побудована самоузгоджена теорія динаміки цього процесу, з урахуванням іонізації нейтрального газу електронами пучка і вторинними іонами, що здійснюють поперечні коливання в полі об’ємного заряду пучка. Отримані залежності координати області компенсації об’ємного заряду від часу, залежність густини іонів та потенціалу об’ємного заряду пучка від координати. Визначено, що густина вторинних іонів має максимум у центрі пучка. Починаючи з моменту повної компенсації в центрі пучка межа області компенсації рухається до периферії пучка. Показано, що силова компенсація можлива тільки на стадії утворення іонного остову і тільки поблизу фіксованої координати, величина якої росте з часом. Отримані результати дозволяють формувати релятивістські електронні пучки з необхідними параметрами.
Публікації автора:
Огнивенко В.В. Механизм вынужденного аномального рассеяния электромагнитной волны релятивистским электронным пучком // Доповiдi НАН України.- 2000.- № 5.-С. 83 - 86.
Огнивенко В.В. Аномальное рассеяние электромагнитной волны релятивистским электронным пучком // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2).-2000.- Вып. 1.- С. 35 - 37.
Огнивенко В.В. Аномальное рассеяние электромагнитной волны сгустком релятивистских электронов // Доповiдi НАН України.- 2001.-№ 2.- С. 96 - 98.
Огнивенко В.В. Ускорение электронов с помощью обращенного аномального рассеяния // Доповiдi НАН України.-2000.- № 9.- С. 91-94.
Ognivenko V.V. Stochastic heating of electrons by electromagnetic waves // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика плазмы.-2000.-№ 6. -С.131-133.
Буц В.А., Огнивенко В.В. Вынужденное рассеяние на релятивистском электронном пучке медленной электромагнитной волны, возбуждаемой в условиях аномального эффекта Допплера // УФЖ.- 1990.- Т. 35, № 3.- С. 371 - 378.
Ognivenko V.V. Stimulated scattering of a slow electromagnetic wave exited by a relativistic electron beam in magnetic field // УФЖ.- 1998.-Т. 43, № 4.- С. 424 - 426.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Томсоновское рассеяние плоской монохроматической волны двумя идентичными зарядами // ДАН Украины.- 1992.- № 10.- С. 78 - 80.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Эффекты когерентности в томсоновском рассеянии // ЖЭТФ.- 1992.- Т. 102, № 5 (11).- С. 1496 - 1505.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Когерентность томсоновского рассеяния сгустком заряженных частиц // ДАН Украины.- 1993.- № 12.- С. 68-71.
Ognivenko V.V. Scattering of electromagnetic wave by linear chain of charged particles // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (40).- 2002.- Вып. 2.-С. 104 - 106.
Курилко В.И., Огнивенко В.В., Ткач Ю.В. К вопросу о гидродинамической неустойчивости моноэнергетического пучка электронов в ондуляторе // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент) (18).- 1990.- Вып. 10.- С. 87 - 91.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Порог вынужденного излучения релятивистского пучка электронов в ондуляторе // ДАН России 1994.- Т. 335, № 4.- С. 437 - 439.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Динамика моноэнергетического потока точечных электронов в спиральном ондуляторе // Физика плазмы.- 1994.- Т. 20, № 7-8.- С. 634 - 639.
Ognivenko V.V., Kurilko V.I. The ultra-relativistic FEL near the threshold of stimulated emission // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. -1995.- Vol. 358, № 1. - P. ABS 69 - ABS 70.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Устойчивость линейной цепочки движущихся зарядов в ондуляторе вблизи порога вынужденного излучения // ЖТФ.- 1996.- Т. 66, № 10.- С. 182 - 191.
Ognivenko V.V. The dynamics of finite-length electron beam motion in an undulator // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика плазмы.-1999.- Вып. 3, 4.- С. 230 - 232.
Ognivenko V.V. Nonlinear dynamics of relativistic electron bunch in an undulator // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (37).- 2001.- Вып. 1.-С. 107 - 108.
Буц В.А., Огнивенко В.В. К теории черенковской неустойчивости электронного пучка в гофрированном волноводе // УФЖ.- 1990.- Т. 35, № 8.- С. 1174 - 1180.
Буц В.А., Огнивенко В.В. Ускорение электронов электромагнитной волной, распространяющейся поперек магнитного поля в периодических структурах // ЖТФ.- 1990.- Т. 60, № 5.- С. 23-30.
Бутенко В.И., Егоров А.М., Иванов Б.И., Огнивенко В.В., Онищенко И.Н., Прищепов В.П. Разработка двухпучкового электронно-ионного ускорителя, основанного на эффекте Доплера // Физика плазмы.- 1997.- Т. 23, № 4.- С. 359 - 367.
Огнiвенко В.В. Збудження аксiально-симетричної E-хвилi потоком релятивiстських електронiв на аномальному ефектi Доплера// УФЖ. -1998.- Т. 43, № 2.- С. 177 - 181.
Бутенко В.И., Горожанин Д.В., Егоров А.М., Иванов Б.И., Огнивенко В.В., Онищенко И.Н., Прищепов В.П. Теоретические и экспериментальные исследования возбуждения ВЧ-колебаний в модели коллективного ускорителя ионов, основанного на эффекте Доплера // Физика плазмы. - 2000.-Т.26, № 4.- С. 371-377.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Динамика компенсации объемного заряда релятивистского электронного пучка в нейтральном газе // ЖТФ.- 1983. - Т. 53, № 6.- С. 1062 - 1069.
Огнивенко В.В. Возбуждение ускоряющих полей потоком релятивистских электронов на аномальном эффекте Допплера // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (31,32).- 1997.- Вып. 4, 5.- С. 143 - 145.
Ivanov B.I., Butenko V.I., Egorov A.M., Kodyakov V.M., Kholodnyi N.I., Ognivenko V.V., Onishchenko I.N., Prishchepov V.P., and Sessler A.M. Development of a Project and Theoretical Substantiations of a Two- Beam Electron- Ion Accelerator Based on Doppler Effect // Advanced Accelerator Concepts.- New York: AIP Press, 1994.-P. 429 - 450.
Buts V.A., Ognivenko V.V. Surfatron acceleration in periodic structures // Nonlinear World. Vol.2.- Singapure: World Scientific, 1990.-P.1184-1187.
Курилко В.И., Огнивенко В.В. Излучение ультрарелятивистского электрона в ондуляторе и механизм коллективной радиационной неустойчивости пучка в лазере на свободных электронах // Обзор. ННЦ ХФТИ, 1995.- 30 с.
Ognivenko V.V. Nonlinear theory of instability due to anomalous wave scattering in a magnetic field // Proc. International Conf. on Plasma Physics. Vol. 1.- Kiev: Naukova Dumka, 1987.- P. 113 - 116.
Огнивенко В.В. Вынужденное рассеяние электромагнитных волн, возбуждаемых электронным пучком в условиях аномального эффекта Допплера // Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Плазменная электроника".- Харьков: ХФТИ АН УССР.- 1988.- С. 63 - 64.
Буц В.А., Огнивенко В.В. Двухступенчатый механизм возбуждения электромагнитных волн релятивистским электронным пучком в магнитном поле // Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Часть 2.- Свердловск: Ин-т электрофизики УроАН СССР.- 1990. - С. 49 - 51.
Ognivenko V.V. Stimulated scattering of a slow electromagnetic wave excited by the relativustic electron beam: Препр. / ННЦ ХФТИ: 93-34.- Харьков: 1993.- 4 с.
Буц В.А., Огнивенко В.В. К теории неустойчивости электронного пучка в гофрированном волноводе // Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Плазменная электроника".- Харьков: ХФТИ АН УССР.-1988.- С. 225 - 226.
Буц В.А., Огнивенко В.В. Серфотронное ускорение частиц в периодических структурах: Препр./ АН УССР. ХФТИ; 88-2.-Харьков: 1988.- 4 с.
Буц В.А., Огнивенко В.В. Поперечная и фазовая устойчивость заряженных частиц, ускоряемых в периодически-неоднородных структурах// Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Плазменная электроника".- Харьков: ХФТИ АН УССР.- 1988.- С. 33 - 34.
Buts V.A., Ognivenko V.V. Surfatron acceletation in periodic structures // Nonlinear world. Proc. IV International workshop on nonlinear and turbulent processes in physics. - Vol. 1.-Kiev: Naukova Dumka.- 1989.-P. 258 - 259.
Kurilko V.I., Ognivenko V.V. Coherence of electron bunch radiation in an ultrarelativistic FEL // Proc. Kharkov International Seminar Workshop on Plasma, Laser and Linear Collective Accelerators.- Kharkov (Ukraine).- 1992.- P. 178 - 185.
