Мультигармонические взаимодействия в плазменно-пучковых супергетеродинных лазерах на свободных электронах с винтовыми электронными пучками

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичному дослідженню динаміки хвиль та аналізу режимів роботи плазмово-пучкових супергетеродинних лазерів на вільних електронах з гвинтовими релятивістськими електронними пучками з урахуванням мультигармонічних взаємодій. Побудовані мультигармонічні кубічно-нелінійні теорії плазмово-пучкових супергетеродинних ЛВЕ з гвинтовими РЕП доплертронного та Н-убітроного типів. З’ясовано, що темпи зростання хвиль у плазмово-пучкових СЛВЕ підвищуються при збільшені кута вльоту електронного пучка. Отримано, що множинні параметричні взаємодії гармонік хвиль призводять до зміни динаміки хвиль в системі, в тому числі зменшують рівень насичення у два і більше рази. Визначені рівні та механізми насичення електромагнітної хвилі сигналу. Знайдені оптимальні режими роботи плазмово-пучкових СЛВЕ із гвинтовими РЕП, у яких потужність електромагнітної хвилі сигналу є максимальною. Встановлено, що такі пристрої можна використовувати як потужні джерела когерентного електромагнітного випромінювання в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию динамики волн и режимов работы плазменно-пучковых супергетеродинных лазеров на свободных электронах с винтовыми релятивистскими электронными пучками с учетом мультигармонических взаимодействий. Построены мультигармонические кубически-нелинейные теории плазменно-пучковых супергетеродинных ЛСЭ с винтовыми РЭП как доплертронного, так и Н-убитроного типов. Получены системы дифференциальных уравнений для амплитуд гармоник электромагнитных полей волн в кубическом приближении, которая учитывает множественные параметрические взаимодействия гармоник волн. Выяснено, что темпы нарастания волн в плазменно-пучковых супергетеродинных ЛСЭ увеличиваются при увеличении угла влета электронного пучка. Показано, что данный эффект определяется плазменно-пучковой неустойчивостью и связан с изменением продольной энергии пучка при изменении угла влета РЭП. Определенны уровни и механизмы насыщения электромагнитной волны сигнала в режиме максимального усиления. Найдены оптимальные режимы работы плазменно-пучковых СЛСЭ с винтовыми РЭП, в которых мощность электромагнитной волны сигнала имеет максимальное значение. Показано, что в доплертронном плазменно-пучковом СЛСЭ с винтовым РЭП возможна реализация четырех режимов взаимодействия волн. Выяснено, что режим работы, в котором используется необыкновенная электромагнитная волна сигнала, имеет наибольший коэффициент усиления по сравнению с другими режимами работы. Продемонстрировано, что для плазменно-пучкового супергетеродинного ЛСЭ с винтовым РЭП Н-убитронного типа наиболее оптимальным с точки зрения практической реализации является режим работы, в котором используется медленная циклотронная электромагнитная волна сигнала. Для данного режима взаимодействия определен оптимальный угол влета РЭП, при котором достигается максимальное усиление электромагнитного сигнала по сравнению с другими режимами работы этого устройства. Выяснено, что множественные параметрические взаимодействия гармоник волн качественно влияют на динамику волн в системе, а именно, понижают уровень насыщения волн. Показано, что механизм насыщения в плазменно-пучковых супергетеродинных ЛСЭ с винтовыми РЭП связан с захватом электронов пучка плазменными волнами. Выяснено, что такие устройства могут использоваться в качестве мощного источника когерентного электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн.

The thesis is devoted to the theoretical study of the wave dynamics and operating modes analysis of plasma-beam superheterodyne free electron lasers (FEL) with helical relativistic electron beams (REB) taking into account multiharmonic interactions. Multiharmonic cubic-nonlinear theories of plasma-beam superheterodyne FELs with helical REBs of dopplertron and H-ubitron types are constructed. It is found that the growth rate of waves increase with increasing of the electron beam injection angle in plasma-beam superheterodyne FELs. It is shown, that plural parametric interactions of wave harmonics result in decrease of the signal saturation two and more times. The saturation levels and mechanisms have been found. Optimal mode of plasma-beam SFELs with helical REBs has been obtained. This operation mode has maximum power of the electromagnetic wave signal. It was demonstrated that plasma-beam SFEL with helical electron beams can be used as powerful sources of coherent electromagnetic radiation in the millimeter wavelength range.