Использование мощных ультракоротких импульсов микроволнового сверхизлучения для задач высокоградиентного ускорения электронов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00260

НазваниеИспользование мощных ультракоротких импульсов микроволнового сверхизлучения для задач высокоградиентного ускорения электронов

Руководитель Яландин Михаил Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова Генераторы ультракоротких микроволновых импульсов, сверхизлучение электронных сгустков, высокоградиентное ускорение электронов в сильных импульсных полях, ускоряющие структуры

Код ГРНТИ47.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Как известно, основные параметры ускорителей заряженных частиц, включая размер, стоимость и эксплуатационная готовность определяются, в первую очередь, достижимым в них ускорительным градиентом. В стандартных СВЧ-структурах высокой яркости с запиткой длинноволновыми клистронами рабочий градиент составляет 30-50 МэВ/м, а рекордные значения не превышают 100 МВ/м. Превышение указанного уровня является актуальной задачей ускорительной физики, поскольку, с одной стороны, позволит существенно улучшить параметры и/или удешевить проектируемые в настоящее время ускорители для рентгеновских лазеров на свободных электронах, а с другой - позволит реализовать компактные ускорители, которые могут быть использованы в радиографии c субнаносекундной синхронизацией и разрешением, а также для медицинских, промышленных и других актуальных приложений. Соответственно, решение указанной задачи является в настоящее время объектом интенсивных исследований, включающих как развитие принципиально новых концепций, таких как лазерно-плазменное и пучково-плазменное ускорение, а также ускорение на основе оптико-терагерцового преобразования, так и традиционное ускорение в металлических и диэлектрических структурах с использованием источников СВЧ-излучения. Прогресс в последнем направлении, прежде всего, обусловлен продвижением электроники больших мощностей в область миллиметровых и субмиллиметровых волн. В этих диапазонах существенное превышение практически достигнутого уровня градиента ускорения может быть обеспечено за счет увеличения максимальных значений шунтового сопротивления и роста допустимых величин пробойных полей. Кроме того, решению проблемы вакуумного СВЧ-пробоя, а также деградации ускорительных структур способствует использование импульсного излучения ультракороткой длительности. В связи с обозначенной проблемой в данном проекте для исследований высокоградиентного ускорения частиц в коротковолновых импульсных полях предлагается использовать разработанный участниками проекта новый не имеющих мировых аналогов класс релятивистских СВЧ генераторов, основанных на эффекте черенковского сверхизлучения (СИ) сильноточных электронных сгустков. В настоящее время генераторы СИ, обеспечивают рекордные уровни мощности вплоть до 0.5-2 ГВт в импульсах с длительностью до 0.3 нс в длинноволновой части миллиметрового диапазона (частота 30-38 ГГц) и до 70-150 МВт в коротковолновой части (90-150 ГГц). Перечисленные уникальные параметры излучения, а также экспериментально продемонстрированная возможность синхронизации нескольких генераторов импульсов СИ делают их весьма привлекательными для ускорительных приложений, включая как запитку ускорительных структур, так и исследование пробойных явлений. Ранее такие исследования на заявленном уровне мощности и частоты не проводились. Основной задачей проекта является демонстрация возможности существенного (до 400 МВ/м) увеличения градиента ускорения электронов в полях субнаносекундных импульсов СИ без превышения пороговых тепловых нагрузок и пробойных поверхностных полей, а также анализ возможности достижения в компактных ускорителях с запиткой более длинными (несколько наносекунд) субгигваттными импульсами уровня энергии ускоренных частиц ~15-20 МэВ. Последний случай представляет значительный интерес для использования, например, в лучевой терапии, а также для создания электронных пушек (прединжекторов) для ускорителей на более высокие энергии. Проведенные предварительные расчеты показывают достижимость решения поставленных задач с использованием имеющегося в распоряжении коллектива проекта экспериментального оборудования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Данилов Ю.Ю., Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Яландин М.И. Использование импульсов микроволнового сверхизлучения для высокоградиентного ускорения электронов в цилиндрическом волноводе с диэлектрической вставкой Письма в ЖТФ, выпуск 23, стр. 27-30 (год публикации - 2021)
10.21883/PJTF.2021.23.51780.18962

2. Яландин М.И., Вихарев А.А., Зотова И.В., Гинзбург Н.С., Федотов А.Э. Generation of Ka-Band Superradiant Pulses for High-Gradient Acceleration of Electrons in a Scheme with Two Coaxial Beams Proceedings of 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz)", pp.1-1 (год публикации - 2021)
10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567202

3. Гинзбург Н.С., Заславский Вл.Ю., Малкин А.М., Сергеев А.С., Зотова И.В., Болтачев Г.Ш., Шарыпов К.А., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. Generation of 150 MW/0.7 ns W-Band Superradiant Pulses in a Strongly Oversized 2D Periodical Surface-Wave Structure Proceedings of 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), pp.1-2 (год публикации - 2021)
10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567634

4. Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. 40 year anniversary of the RADAN systems – compact pulsed power sources for various investigations Journal of Physics: Conference Series, Volume 2064, art.no.012002 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2064/1/012002

5. Н. С. Гинзбург, А. Е. Федотов, С. В. Кузиков, А. М. Малкин, К. А. Шарыпов, С. А. Шунайлов, А. А. Вихарев, М. И. Яландин, И. В. Зотова Combined generator–accelerator scheme for high-gradient electrons acceleration by Ka-band subnanosecond superradiant pulses Phys. Plasmas, vol. 29, art.no. 123101 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0123606

6. Л. Юровский, И. Зотова, Н. Гинзбург, М. Вилков, Р. Розенталь, С. Самсонов, Э. Абубакиров Microwave CPA-Amplifier with Multi-Gigawatt Ultrashort Output Pulses Proceedings of 22nd International Vacuum Electronics Conference (IVEC), 2021, pp. 1-2 (год публикации - 2021)
10.1109/IVEC51707.2021.9722502

7. К. Шарыпов, Е. Осипенко, В. Шпак, С. Шунаилов, М. Яландин, Н. Зубарев Parameters of a paraxial magnetized bunch of runaway electrons Proceedings of 8-th Int. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) – 22-nd Int. Symp. on High-Current Electronics, Tomsk, Russia, Oct. 2 – 8, pp. 566-571 (год публикации - 2022)
10.56761/EFRE2022.S5-P-031801

8. К.А. Шарыпов, Н.С. Гинзбург, В.Г. Шпак, С.А. Шунайлов, М.И. Яландин, И.В. Зотова High-gradient acceleration of electron beam by superradiative microwave pulse Proceedings of 8-th Int. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) – 22-nd Int. Symp. on High-Current Electronics, Tomsk, Russia, Oct. 2 – 8, pp.288-293 (год публикации - 2022)
10.56761/EFRE2022.S3-P-031802

9. Г. Месяц, В. Ростов, К. Шарыпов, В. Шпак, С. Шунайлов, М. Яландин, Н. Зубарев Emission Features and Structure of an Electron Beam versus Gas Pressure and Magnetic Field in a Cold-Cathode Coaxial Diode Electronics, Vol. 11, No. 2, Art. no. 248 (pp. 1-15) (год публикации - 2022)
10.3390/electronics11020248

10. Вихарев А.А., Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Кузиков С.В., Яландин М.И. Ускорение электронов ультракороткими импульсами микроволнового сверхизлучения Тезисы докладов. XII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород 28 февраля – 4 марта 2022 г., стр.59 (год публикации - 2022)

11. Гинзбург Н.С., Федотов А.Е., Кузиков С.В., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Вихарев А.А., Яландин М.И., Зотова И.В. Demonstration of high-gradient electron acceleration driven by subnanosecond pulses of Ka-band superradiance Physical Review Accelerators and Beams, 26, 060401 (2023) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevAccelBeams.26.060401

12. Яландин М.И., Лобанов Л.Н., Осипенко Е.А., Шарыпов К.А., Шпак В.Г.. Шунайлов С.А., Гинзбург Н.С.. Зотова И.В. Picosecond Resolution Collector Sensor for Diagnostics of Subrelativistic Electron Bunches IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 72, art.no 1008808 (2023) (год публикации - 2023)
10.1109/TIM.2023.3307183

13. Яландин М.И., Гинзбург Н.С., Зотова И.В. , Вихарев А. Л., Шарыпов К.А., Шунайлов С.А., Шпак В.Г., Федотов А.Э., Кузиков С.В. Acceleration of Electrons by Subnanosecond Superradiant Pulses: Modeling and Experiments IEEE 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), 2023, pp. 1-2 (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157070.

14. Н.С. Гинзбург, И.В. Зотова, Н.М.Зубарев, В.В. Ростов , К.А. Шарыпов, В.Г. Шпак, С.А.Шунайлов, М.И. Яландин Короткие сильноточные электронные пучки и мощные микроволновые импульсы в форвакуумном диапазоне давлений Известия вузов. Радиофизика, Том 65, № 5–6, стр.331-341 (год публикации - 2022)
10.52452/00213462_2022_65_05_331

15. Яландин М.И., Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Зубарев Н.М., Ростов В.В., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А. Ультракороткие замагниченные электронные пучки, формируемые в пограничном диапазоне вакуум – газ Тезисы докладов. XII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород 28 февраля – 4 марта 2022 г., стр.14-15 (год публикации - 2022)

Публикации