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.
Песков Н.Ю., Гинзбург Н.С., Каминский А.К., Седых С.Н., Сергеев А.С. Мощные мазеры на свободных электронах на основе линейных индукционных ускорителей // Изв. вузов. Радиофизика. 2020. Т. 63, № 12. C. 1032–1081.