Магнитная система субгигаваттного терагерцового лазера на свободных электронах на основе килоамперного пучка релятивистских электронов

В 2020 году коллективом учёных из ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и ИПФ РАН (Нижний Новгород) был предложен проект субгигаваттного лазера на свободных электронах (ЛСЭ) терагерцового диапазона на базе сильноточного электронного пучка. В качестве источника пучка для такого ЛСЭ-генератора могут быть использованы разрабатываемые в ИЯФ СО РАН линейные индукционные ускорители нового поколения с килоамперным уровнем тока и энергией частиц до 10 МэВ, которые способны формировать пучки с большой плотностью тока и малым нормализованным эмиттансом. Целью проводимых нами исследований является разработка и создание ЛСЭ-генератора импульсов когерентного излучения терагерцового диапазона с субгигаваттным уровнем мощности в совокупности с рекордным энергосодержанием в импульсе, порядка 10-100 Дж. Сочетание высокой плотности тока пучка и его большой длительности (около 100 нс) при малом разбросе продольных скоростей электронов открывает возможность реализации схемы ЛСЭ в двух различных типах сверхразмерных электродинамических систем. Основой первого из них является двухзеркальный брэгговский резонатор, в котором отражение волн происходит за счёт связи бегущих и квазикритических волн на гофрированной поверхности. Во втором типе электродинамической системы используется квазиоптический резонатор на эффекте Тальбота. Согласно теории, результатам моделирования, а также данным «холодных» экспериментов обе эти схемы позволяют обеспечить стабильный режим узкополосной генерации терагерцового излучения при значительном параметре сверхразмерности (т. е. отношении диаметра резонатора к длине волны излучения), равном (30-40). В рамках статьи обсуждаются основные инженерно-физические решения по конструктивным элементам разрабатываемого ЛСЭ-генератора и их проектные параметры. В процессе разработки магнитной системы этого генератора были проведены расчёты зависимостей от времени пространственных конфигураций импульсных магнитных полей винтового ондулятора с периодом 10 см и длиной 2 м, а также соленоида квазиоднородного магнитного поля той же длины, предназначенного для осуществления компрессии (сжатия) пучка по поперечному сечению для его ввода и транспортировки внутри вакуумного канала ЛСЭ-генератора. Представленные результаты моделирования и тестирования изготовленных элементов станут основой для выполнения проекта мощного ЛСЭ-генератора, работающего в диапазоне частот от 0,3 до 1,2 ТГц.

На английском языке

Magnetic system of a sub-gigawatt free-electron laser of the terahertz range based on a kiloampere beam of relativistic electrons

Sandalov E.S., Sinitsky S.L., Arzhannikov A.V., Pavlyuchenko V.A., Bak P.A., Ginzburg N.S., Logachev P.V., Mescheryakov I.N., Nikiforov D.A., Peskov N.Yu., Protas R.V., Ryabchenko K.K. and Skovorodin D.I.

We consider the project of a sub-gigawatt free-electron laser (FEL) in the THz range based on a high-current electron beam proposed in 2020 by the scientific collaboration team from G. I. Budker Institute of Nuclear Physics of the Siberian Branch RAS (BINP SB RAS, Novosibirsk) and the Institute of Applied Physics RAS (Nizhny Novgorod). A new generation of linear induction accelerators (LIA) with a kiloampere current level and an energy of up to 10 MeV, which are capable of forming beams with a high current density and low normalized emittance, is developed at the BINP SB RAS and can be used as a source of an electron beam for such a FEL generator. The objective of our research is to develop and create a FEL generator producing pulses of coherent radiation in the THz range with a sub-GW power level and a record-breaking energy content in a pulse of about 10-100 J. The combination of a high current density of the beam and its long pulse duration (about 100 ns) together with a small spread in the longitudinal electron velocities of the beam opens up the possibility of implementing the FEL scheme in two different types of oversized electrodynamic systems. The first is based on a two-mirror Bragg resonator, in which waves are reflected due to the coupling of the traveling and quasi-critical waves on a corrugated surface. In the second type of the electrodynamic system, a quasi-optical resonator based on the Talbot effect is used. According to the theory, the simulation results, and the data of the cold experiments, the both schemes make it possible to ensure a stable regime of narrow-band generation of THz radiation under the conditions of significant cavity oversize, i.e., the ratio of the cavity diameter and the radiation wavelength (ϕ/λ>30-40 ). The main structural elements of the developed section of the FEL generator and their design parameters are discussed within the framework of this article. When developing the magnetic system of this section, we calculated the time dependence of the spatial configurations of pulsed magnetic field in a helix undulator with a period of d = 10 cm and a length of 2 m, as well as in the solenoid of a quasi-homogeneous magnetic field of the same length intended for compression of the beam cross section before its input in the vacuum channel of the FEL section and for consequent transport of the beam inside it. The presented results of modeling and testing of the manufactured elements for the FEL section will become the basis for the design of a high power FEL generator operated in the frequency range from 0.3 to 1.2 THz.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_07_538

Пример ссылки для цитирования:

Сандалов Е.С., Синицкий С.Л., Аржанников А.В., Павлюченко В.А., Бак П.А., Гинзбург Н.С., Логачев П.В., Мещеряков И.Н., Никифоров Д.А., Песков Н.Ю., Протас Р.В., Рябченко К.К., Сковородин Д.И. Магнитная система субгигаваттного терагерцового лазера на свободных электронах на основе килоамперного пучка релятивистских электронов // Изв. вузов. Радиофизика. 2023. Т. 66, № 7-8. C. 538–554.