Мощные мазеры на свободных электронах на основе линейных индукционных ускорителей

В обзоре представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований мощных мазеров на свободных электронах (МСЭ), проводимых в сотрудничестве ОИЯИ и ИПФ РАН на основе линейного индукционного ускорителя ЛИУ-3000 с энергией частиц около 0,8 МэВ, током пучка до 200 А и длительностью импульса 200-250 нс. Проведено сравнение различных типов брэгговских резонаторов, включая двухзеркальные схемы и резонаторы со скачком фазы гофрировки. Исследована нелинейная динамика МСЭ с резонаторами указанных типов, найдены области реализации одномодовых одночастотных режимов при возбуждении генераторов релятивистскими электронными пучками, движущимися в винтовом ондуляторе и фокусируемыми однородным продольным магнитным полем. Результаты теоретического анализа подтверждены экспериментальными исследованиями. При использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки и режима обратного ведущего поля в 8-миллиметровом диапазоне длин волн реализован МСЭ с мощностью выходного излучения на уровне 20-30 МВт и шириной спектра излучения 6-7 МГц, близкой к теоретическому пределу. Полученный для данного класса генераторов рекордный набор параметров (эффективность, мощность, стабильность одномодового режима генерации в последовательности до 106 импульсов) позволил использовать излучение МСЭ в ряде приложений, включая исследование ресурса высокоградиентных ускоряющих структур по отношению к импульсным циклическим тепловым нагрузкам. Для расширения сферы потенциальных приложений, требующих контроля частоты и фазы излучения, экспериментально продемонстрирована возможность создания широкополосных усилительных схем МСЭ. С целью продвижения МСЭ в коротковолновую часть миллиметрового диапазона предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показано, что включение в цепь обратной связи квазикритических волн позволяет существенно улучшить (по сравнению с «традиционными» аналогами, основанными на связи встречных волновых пучков с большими групповыми скоростями) селективность брэгговских резонаторов при поперечных размерах, достигающих 10-20 длин волн. Работоспособность резонаторов нового типа подтверждена экспериментально в макетах МСЭ-генераторов, реализованных от Ka- до W-диапазона с поперечным размером до 5 длин волн и работающих на мультимегаваттном уровне мощности. Обсуждаются перспективы продвижения исследуемого класса генераторов в субтерагерцовый/терагерцовый диапазон частот на основе нового поколения линейных индукционных ускорителей, созданных в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и формирующих электронные пучки с энергией частиц 5-20 МэВ и килоамперными токами.

На английском языке
High-power free-electron masers based on linear induction accelerators
Peskov N.Yu.
Ginzburg N.S.
Kaminsky A.K.
Sedykh S.N.
Sergeev A.S.

We review the results of theoretical and experimental studies of high-power free-electron masers (FEMs), which are performed jointly by the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) and the Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS), using the LIU-3000 linear induction accelerator that has a particle energy of about 0.8 MeV, a beam current of up to 200 A, and a pulse duration of 200-250 ns. Various types of Bragg resonators are compared, including two-mirror schemes and resonator cavities with a jump in the corrugation phase. The nonlinear dynamics of FEMs with the cavities of the above-specified types is studied, and the regions of realization of single-mode, single-frequency regimes, when generators are excited by relativistic electron beams moving in a helical undulator and focused by a uniform longitudinal magnetic field, are found. The results of the theoretical analysis are confirmed by experimental studies. When a Bragg cavity with a corrugation phase jump is used in the regime of the reverse guiding field in the 8-mm wavelength range is used, a FEM with an output power of about 20-30 MW and a radiation spectrum width of 6-7 MHz is realized, which is close to the theoretical limit. The record-breaking set of parameters obtained for this class of generators (efficiency, power, stability of the single-mode generation regime in a sequence of up to 106pulses) made it possible to use FEM radiation in several applications, including the study of the resource of high-gradient accelerating structures under pulsed periodic thermal loads. To expand the spectrum of potential applications that require the control over the frequency and phase of the radiation, the possibility to create wideband amplifying circuits of FEMs is demonstrated. In order to bring FEMs over to the short-wave part of the millimeter-wave range, it is proposed to use modified Bragg structures based on the coupling of traveling and quasi-critical waves. It is shown that including quasi-critical waves in the feedback circuit allows one to improve significantly the selectivity of Bragg cavities (as compared with their "conventional" analogies based on the coupling of counterpropagating wave beams with high group velocities) for the transverse dimensions that reach up to 10-20 wavelengths. Operability of novel cavities has been confirmed experimentally in prototypes of FEM generators operating in the Ka- to W-bands at a multimegawatt power level and having a transverse dimension of up to 5 wavelengths. The prospects of advancing the studied class of generators to the subterahertz/terahertz frequency range oin the basis of new-generation linear induction accelerators, which have been developed at the Budker Institute of Nuclear Physics (BINP), Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences and form electron beams with a particle energy of 5-20 MeV and kiloampere currents, are discussed.