Charged-Particle Motion in Large-Amplitude Electromagnetic Fields

Abstract

The relativistic motion of a charged particle in large amplitude, inhomogeneous electromagnetic fields is studied for several situations. This study involved the numerical integration of the equations of motion including the relativistic mass correction and the nonlinear rf v×B force term. The cases studied include particle motion in linearly and circularly polarized, homogeneous plane waves with a homogeneous steady magnetic field parallel to the direction of propagation; particle motion in linearly and circularly polarized TE-11 modes in waveguides of circular cross section immersed in a uniform steady axial magnetic field; and particle motion in cavity resonators of circular cross section (TE-111 mode) immersed in a nonuniform steady axial magnetic field. This study is concerned with the maximum energy gains possible in the above situations with field amplitudes appropriate to high-power microwave experiments. To verify the features of the particle motion as predicted in the numerical study, and to investigate effects which could not be easily included in the analysis, such as space charge from the electron beams, beam-induced cavity fields, and ionization of residual gas in a cavity resonator, certain experiments were performed. These involved the injection of 1–100-mA electron beams at 100–1000 V on the axis of circular cross-section cavity resonators (10 GHz and 1.0 GHz) immersed in a steady axial magnetic field. With pulsed operation, an energy increase of 460 keV was obtained for a drive power of 46 kW at an over-all efficiency of acceleration of approximately 10%. Higher-efficiency pulsed operation and continuous operation at lower power levels were also investigated experimentally.

Creation of a Tubular Beam of the Relativistic Electrons During Autoresonant Laser Acceleration

“…Это связано с тем, что релятивистское изменение циклотронной частоты ком-пенсируется доплеровским сдвигом частоты волны [8,9]. Существование циклотронного авторезонанс-ного механизма ускорения электронов электромагнитными волнами микроволнового диапазона было доказано экспериментально в работах [10][11][12][13][14][15][16][17]. Эксперименты показали также, что возможно значитель-ное ускорение заряженных частиц в условиях, отличных от идеализированных условий авторезонанса.…”

“…Эксперименты показали также, что возможно значитель-ное ускорение заряженных частиц в условиях, отличных от идеализированных условий авторезонанса. Более того, из экспериментов [10] следовало, что в микроволновом диапазоне при небольшом уровне ВЧ-мощности эффекты пространственного заряда, диаметра электронного пучка, нагрузки резонатора, ионизации остаточного газа существенно не ограничивают набор энергии электронами.…”

“…Поэтому авторезонансный микроволновый ускоритель на основе резонатора является эффектив-ным средством для получения релятивистских вращающихся электронных пучков, которые могут быть использованы как источник когерентного излучения [18,19], драйвер для гиротронов [13] и т.д. Образо-вание кольца электронов с помощью микроволнового авторезонансного ускорителя в резонаторе моды ТЕ 111 было впервые обнаружено в работе [10]. В дальнейшем образование электронных колец было про-демонстрировано в микроволновых ускорителях резонаторного типа, в которых условие циклотронного резонанса поддерживалось с помощью нарастающего со временем ведущего магнитного поля (гиромаг-нитный авторезонанс) [20][21][22].…”

“…В дальнейшем образование электронных колец было про-демонстрировано в микроволновых ускорителях резонаторного типа, в которых условие циклотронного резонанса поддерживалось с помощью нарастающего со временем ведущего магнитного поля (гиромаг-нитный авторезонанс) [20][21][22]. В случае плоской волны, которая служит аппроксимацией поля в волно-воде [10,14], траекторией ускоряющейся частицы в условиях авторезонанса является раскручивающаяся спираль [6,9]. Поэтому кольцо электронов не образуется.…”

Multi-megawatt W-band RF source based on gyroharmonic conversion at the eighth harmonic

“…Gyroharmonic conversion as a process for efficient production of high-power radiation has been discussed in a number of publications [1][2][3][4][5][6] and various approaches have been proposed. In one approach [1], low frequency rf drive power is used to accelerate an electron beam using the TE 11 mode in a cylindrical waveguide by means of cyclotron autoresonance acceleration (CARA).…”