Частотный спектр и энергосодержание в импульсном потоке терагерцового излучения, генерируемом РЭП в плазменном столбе с различными распределениями плотности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Сообщается об энергосодержании 10 Дж в области частот (0.2—0.3) ТГц при микросекундной длительности импульса, которое достигнуто в направленном потоке электромагнитного излучения, генерируемом в пучково-плазменной системе. Генерация потока осуществляется при накачке релятивистским электронным пучком (РЭП) электронных плазменных волн в замагниченном плазменном столбе. В описываемых экспериментах на установке ГОЛ-ПЭТ этот принципиально новый метод генерации терагерцового излучения реализован в условиях варьирования плотности тока пучка (1—2) кА/см2 и плотности плазмы (1014—1015) см−3. Сопоставлением измеренного в эксперименте распределения спектральной плотности потока излучения в частотном интервале от 0.15 до 0.45 ТГц с расчётным спектром излучения в рамках предложенной ранее модели генерации в пучково-плазменной системе продемонстрировано, что этот процесс реализуется через резонансную накачку пучком ветви именно верхнегибридных плазменных волн. Освоение этого нового метода генерации терагерцового излучения открывает перспективу продвижения возможности получения мультимегаваттных потоков излучения в области частот до одного терагерца и выше. На этом пути наиболее перспективным пучком для накачки плазменных колебаний представляется килоамперный РЭП, генерируемый в линейном индукционном ускорителе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Аржанников

Институт ядерной физики СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

С. Л. Синицкий

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

Д. А. Самцов

Институт ядерной физики СО РАН

Email: D.A.Samtsov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

И. В. Тимофеев

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

Е. С. Сандалов

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

С. С. Попов

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

М. Г. Атлуханов

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

М. А. Макаров

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

П. В. Калинин

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

К. Н. Куклин

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

А. Ф. Ровенских

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

В. Д. Степанов

Институт ядерной физики СО РАН

Email: A.V.Arzhannikov@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Markelz A. G., Mittleman D. M. // ACS Photonics. 2022. V. 9. № 4. P. 1117.
  2. Cooper K. B., Dengler R. J., Llombart N., Thomas B., Chattopadhyay G., Siegel P. H. // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2011. V. 1. № 1. P. 169.
  3. Michalchuk A. L., Hemingway J., Morrison C. A. // The Journal of Chemical Physics. 2021. V. 154. № 6. P. 064105.
  4. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Koidan V. S., Vyacheslavov L. N. // Physics of REB-Plasma Interaction. Physica Scripta. 1982. V. T2’2. P. 303.
  5. Ginzburg V. L., Zheleznyakov V. V. // Soviet Astronomy. 1959. V. 3. P. 235.
  6. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kalinin P. V., Kuznetsov S. A., Makarov M. A., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Postupaev V. V., Rovenskikh A. F., Sinitsky S. L., Sklyarov V. F., Stepanov V. D., Sulyaev Yu.S., M. Thumm K. A., Vyacheslavov L. N. // Vestnik Novosibirsk State University. Ser.: Physics. 2010. V. 5. № 4. P. 44.
  7. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Kuznetsov S. A., Makarov M. A., Mekler K. I., Postupaev V. V., Rovenskikh A. F., Sinitsky S. L., Sklyarov V. F. // Fusion Science and Technology. 2011. V. 59. № 1T. P. 74.
  8. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S., Gavrilenko D. E., Ivanov I. A., Kasatov A. A., Kuznetsov S. A., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Postupaev V. V., Rovenskikh A. F., Sinitsky S. L., Sklyarov V. F., Vyacheslavov L. N. // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. № 8.
  9. Timofeev A. V. // Phys. Usp. 2004. V. 47. № 6.
  10. Timofeev I. V., Annenkov V. V., Arzhannikov A. V.// Physics of Plasmas. 2015. V. 22. № 11. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1063/1.4935890
  11. Arzhannikov V. A., Ivanov I. A., Kasatov A. A., Kuznetsov S. A., Makarov М. А., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Popov S. S., Rovenskikh A. F., Samtsov D. A., Sinitsky S. L., Stepanov V. D., Annenkov V. V., Timofeev I. V. // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2020. V. 62. № 4.
  12. Arzhannikov A. V., Timofeev I. V. // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. V. 54.
  13. Аржанников А. В., Тимофеев И. В. // Вестник Новосибирского гос. ун-та. Сер.: Физика. 2016. Т. 11. № 4. С. 78.
  14. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S., Gavrilenko D. E., Ivanov I. A., Kasatov A. A., Kuznetsov S. A., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Postupaev V. V., Rovenskikh A. F., Sinitsky S. L., Sklyarov V. F., Vyacheslavov L. N. // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. № 8.
  15. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S., IIvanov I.A., Kasatov A. A., Kuznetsov S. A., Makarov M. A., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Popov S. S., Postupaev V. V., Rovenskikh A. F., Sinitsky S. L., Sklyarov V. F., Stepanov V. D., Timofeev I. V., Thumm M. K.A. // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2016. V. 6. № 2. P. 245
  16. Arzhannikov A. V., Burmasov V. S., Ivanov I. A., Kalinin P. V., Kuznetsov S. A.,Makarov M. A., Mekler K. I., Polosatkin S. V., Rovenskikh A. F., Samtsov D. A., Sinitsky S. L., Stepanov V. D., Timofeev I. V. // 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW–THz). IEEE. 2019.
  17. Samtsov D. A., Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Makarov M. A., Kuznetsov S. A., Kuklin K. N., Popov S. S., Sandalov E. S., Rovenskikh A. F., Kasatov A. A., Stepanov V. D., Ivanov I. A., Timofeev I. V., Annenkov V. V., Glinskiy V. V. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2021. V. 49. № 11. P. 3371.
  18. Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Popov S. S., Timofeev I. V., Samtsov D. A., Sandalov E. S., Kalinin P. V., Kuklin K. N., Makarov M. A., Rovenskikh A. F., Stepanov V. D., Annenkov V. V., Glinsky V. V. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. V. 50. № 8. P. 2348.
  19. Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Старостенко Д. А., Логачев П. В., Бак П. А., Никифоров Д. А., Попов С. С., Калинин П. В., Самцов Д. А., Сандалов Е. С., Атлуханов М. Г., Григорьев А. Н., Воробьёв С. О., Петров Д. В., Протас Р. В.// Физика плазмы. 2022. T. 48. № 10. C. 929.
  20. Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kalinin P. V., Kasatov A. A., Makarov M. A., Mekler K. I., Rovenskikh A. F., Samtsov D. A., Sandalov E. S., Sinitsky S. L. // Journal of Physics: Conf. Ser. IOP Publ. 2020. V. 1647. № 1. P. 012011.
  21. Arzhannikov A. V., Bobylev V. B., Nikolaev V. S., Sinitsky S. L., Yushkov M. V., Zotkin R. P. // 9-th Inter. Conf. High–Power Particle Beams, Washington DC, 1992. Proceedings, V. II, Electron beams. P. 1117.
  22. Arzhannikov A. V., Makarov M. A., Samtsov D. A., Sinitsky S. L., Stepanov V. D. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. V. 942. P. 162349.
  23. Бурмасов В. С., Бобылев В. Б., Иванов А. А., Иваненко С. В., Касатов А. А., Касатов Д. А., Кругляков Э. П., Куклин К. Н., Попов С. С., Поступаев В. В., Пурыга Е. А., Ровенских А. Ф., Скляров В. Ф. // Приборы и техника эксперимента. 2012. T. 2. С. 120.
  24. Popov S. S., Vyacheslavov L. N., Ivantsivskiy M. V., Burdakov A. V., Kasatov A. A., Polosatkin S. V., Postupaev V. V. // Fusion Science and Technology. 2011. V. 59. № 1T. P. 292.
  25. Аржанников А. В., Макаров М. А., Калинин П. А., Касатов А. А., Куклин К. Н., Попов С. С., Самцов Д. А., Сандалов Е. С., Синицкий С. Л. // Сб. тез. докл. 48 межд. звенигородская конф. по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2021.
  26. Рогалин В. Е., Каплунов И. А., Кропотов Г. И. // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 6. С. 851.
  27. Arzhannikov A. V., Ivanov I. A., Kuznetsov S. A., Samtsov D. A., Lazorskiy P. A.,Gelfand A. V. // Proceedings of the 2021 IEEE22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials. IEEE, 2021. P. 101.
  28. Зайцев Н. И., Иляков Е. В., Ковнеристый Ю. К., Кораблев Г. С., Кулагин И. С., Лазарева И. Ю., Цалолихин В. И., Шульгин В. В. // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 35. С. 153.
  29. Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Самцов Д. А., Сандалов Е. С., Попов С. С., Атлуханов М. Г., Макаров М. А., Калинин П. В., Куклин К. Н., Ровенских А. Ф., Степанов В. Д. // Физика плазмы. 2022. T. 48. № 10. С. 929.
  30. Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Burmasov V. S., Koidan V. S., Konyukhov V. V.,Mekler K. I., Rogozin A. I., Vyacheslavov L. N. // Proc. 3rd Inter. Conf. High Power Elec. Ion Beam Res. Tech., Novosibirsk. 1979. P. 29.
  31. Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Старостенко Д. А., Логачев П. В., Бак П. А., Никифоров Д. А., Попов С. С., Калинин П. В., Самцов Д. А., Сандалов Е. С., Атлуханов М. Г., Григорьев А. Н., Воробьёв С. О., Петров Д. В., Протас Р. В. // Сибирский физ. журн. 2023. Т. 18. № 1. С. 28.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема плазменной части установки ГОЛ-ПЭТ с демонстрацией пути распространения потока терагерцового излучения и местоположения диагностик для его регистрации. 1 — инжектируемый РЭП; 2 — плазма; 3 — поток излучения; 4 — поворотное зеркало; 5 — полихроматор; 6 — калориметр; 7 — интерферометр; 8 — томсоновское рассеяние.

Скачать (16KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение плотности по радиусу плазменного столба в момент 2 мкс (а) и энергия в импульсе излучения, которая зарегистрирована калориметром за выходным окном из полиметилпентена (б). Результаты усреднены по пяти выстрелам в одинаковых условиях по пучку и плазме.

Скачать (20KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектральная плотность излучения в выведенном в атмосферу потоке излучения (а), которая зарегистрирована восьмиканальным полихроматором при распределении плотности плазмы, представленной на рис. 2а. Спектральная плотность на рис. 3а отложена по оси ординат в относительных единицах. Осциллограммы тока инжектируемого пучка и энергии пучковых электронов (б). Сигналы интенсивности излучения, поступившие от каналов полихроматора (в-е) для различных частотных интервалов. Все сигналы усреднены по серии из 9 выстрелов.

Скачать (63KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энергия в импульсе излучения, измеренная калориметром в случае его присоединения непосредственно к вакуумной трубе, в режиме с плотностью тока пучка 1 кА/см2 (кривая 1) и с плотностью тока пучка 2 кА/см2 (кривая 2).

Скачать (15KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение во времени средней по диаметру плазменного столба плотности плазмы, зарегистрированное с использованием интерферометра Майкельсона на длине волны 10.5 мкм (а); распределение плотности плазмы по радиусу столба в момент 1.2 мкс, измеренное системой томсоновского рассеяния на длине волны лазера 1.053 мкм (б). Отчёт времени ведётся с момента начала инжекции РЭП.

Скачать (17KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектральная плотность мощности в потоке излучения, генерируемом в условиях однородного по сечению плазменного столба (результат получен усреднением результатов регистрации по серии из девяти выстрелов в одинаковых условиях эксперимента при распределении плотности плазмы, представленном на рис. 5).

Скачать (24KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение спектральной плотности мощности в относительных единицах по оси частот в окрестности ленгмюровской частоты ωp: а) — расчётное угловое распределение спектральной плотности потока излучения в окрестности частоты ωp, положение которой на оси частот соответствует единице; б) — синей линией показана спектральная плотность мощности, полученная интегрированием по углам Θ распределения, представленного на рис. а), красной линией — контур частотной области с максимальной спектральной плотностью мощности излучения, построенный по результатам измерений восьмиканальным полихроматором.

Скачать (25KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024