Мультигармонічні двопотокові супергетеродинні ЛВЕ з гвинтовими електронними пучками

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичному дослідженню динаміки електромагнітних хвиль у мультигармонічних двопотокових супергетеродинних лазерах на вільних електронах Н-убітронного типу з гвинтовими електронними пучками з урахуванням множинних трихвильових параметричних взаємодій різного типу. Запропоновано використовувати гвинтові електронні пучки у мультигармонічних двопотокових супергетеродинних лазерах на вільних електронах (ДСЛВЕ), призначених для одержання потужного електромагнітного сигналу з широким частотним спектром. З’ясовано, що такі пристрої мають менші поздовжні габарити та здатні формувати мультигармонічні електромагнітні хвилі з більш широким частотним спектром порівняно з ДСЛВЕ, які використовують прямолінійні електронні пучки. У кубічному нелінійному наближенні одержано самоузгоджену систему диференціальних рівнянь для амплітуд гармонік електромагнітних хвиль у мультигармонічних двопотокових супергетеродинних лазерах на вільних електронах Н-убітронного типу з гвинтовими релятивістськими електронними пучками (РЕП). Виявлені та враховані трихвильові резонансні взаємодії різного типу, зокрема й пов’язані з обертальним рухом електронів у фокусувальному магнітному полі. Показано, що множинні взаємодії хвиль у таких системах є визначальними для формування електромагнітного сигналу з широким частотним спектром. З’ясовано, що завдяки використанню гвинтових двопотокових РЕП у ДСЛВЕ вдається збільшити інкременти зростання хвиль за умови збільшення кута вльоту електронного пучка відносно фокусувального магнітного поля. Показано, що у гвинтових двопотокових РЕП критична частота двопотокової нестійкості також зростає зі збільшенням кута вльоту. Це дозволяє збільшити ширину частотного спектра електромагнітних хвиль, що формується мультигармонічними ДСЛВЕ. Завдяки використанню гвинтових двопотокових РЕП у ДСЛВЕ вдається сформувати мультигармонічну електромагнітну хвилю з більш широким частотним спектром та на менших відстанях порівняно з ДСЛВЕ, що використовують прямолінійні РЕП. Продемонстровано, що в разі використання мультигармонічного вхідного сигналу з вузьким частотним спектром у мультигармонічних ДСЛВЕ-підсилювачах з гвинтовими РЕП формування потужної мультигармонічної електромагнітної хвилі відбувається на довжинах, у два і більше разів менших порівняно із системами, на вхід яких подається монохроматичний вхідний сигнал.

Диссертация посвящена теоретическому исследованию динамики электромагнитных волн в мультигармонических двухпотоковых супергетеродинных лазерах на свободных электронах Н- убитронного типа с винтовыми электронными пучками с учетом множественных трёхволновых параметрических взаимодействий разного типа. Предложено использовать винтовые электронные пучки в мультигармонических двухпотоковых супергетеродинных лазерах на свободных электронах (ДСЛСЭ), предназначенных для получения мощного электромагнитного сигнала с широким частотным спектром. Установлено, что такие устройства имеют меньшие продольные габариты и способны формировать мультигармонические электромагнитные волны с более широким частотным спектром по сравнению с ДСЛСЭ, использующими прямолинейные электронные пучки. В кубическом нелинейном приближении получена самосогласованная система дифференциальных уравнений для амплитуд гармоник электромагнитных волн в мультигармонических двухпотоковых супергетеродинных лазерах на свободных электронах Н-убитронного типа с винтовыми релятивистскими электронными пучками (РЭП). Выявлены и учтены трёхволновые резонансные взаимодействия различного типа, в том числе и связанные с вращательным движением электронов в фокусирующем магнитном поле. Показано, что множественные взаимодействия волн в таких системах являются определяющими для формирования электромагнитного сигнала с широким частотным спектром. Выяснено, что благодаря использованию винтовых двухпотоковых РЭП в ДСЛСЭ удается увеличить инкременты нарастания волн при условии увеличения угла влета электронного пучка относительно фокусирующего магнитного поля. Показано, что в винтовых двухпотоковых РЭП критическая частота двухпотоковой неустойчивости также вырастает с увеличением угла влета. Это позволяет увеличить ширину частотного спектра электромагнитных волн, формирующегося мультигармоническими ДСЛСЭ. Благодаря использованию винтовых двухпотоковых РЭП в ДСЛСЭ удается сформировать мультигармоническую электромагнитную волну с более широким частотным спектром и на меньших расстояниях по сравнению с ДСЛСЭ, использующими прямолинейные РЭП. Продемонстрировано, что в случае использования мультигармонического входного сигнала с узким частотным спектром в мультигармонических ДСЛСЭ-усилителях с винтовыми РЭП формирование мощной мультигармонической электромагнитной волны происходит на длинах, в два и более раз меньших по сравнению с системами, на вход которых подается монохроматический входной сигнал.

The thesis is devoted to the theoretical study of the electromagnetic waves dynamics in multiharmonic two-stream superheterodyne free-electron lasers of the H-ubitron type with helical electron beams, considering multiple three-wave parametric interactions of different types. It has been proposed to use helical electron beams in multiharmonic two-stream superheterodyne free-electron lasers (TSFELs), which are designed to produce a powerful electromagnetic signal with a wide frequency spectrum. It has been found that such devices have smaller longitudinal dimensions and are capable of forming multiharmonic electromagnetic waves with wider frequency spectrum compared to TSFELs that use straight electron beams. A self-consistent system of differential equations has been obtained in the cubic nonlinear approximation for the harmonics amplitudes of electromagnetic waves in multiharmonic two-stream superheterodyne free-electron lasers of H-ubitron type with helical relativistic electron beams (REBs). Three-wave resonant interactions of various types, including those associated with the rotational motion of electrons in a focusing magnetic field, have been identified and considered. It has been shown that multiple interactions of waves in such systems are decisive for the formation of an electromagnetic signal with wide frequency spectrum. It has been found that due to the use of two-stream helical REBs in TSFEL, it is possible to increase the wave growth rates under the condition of increasing the electron beam input angle relative to the focusing magnetic field. It has been also shown that in helical two-stream REBs, the critical frequency of two-stream instability also increases with an angle. This allows to increase the frequency spectrum width of electromagnetic waves formed by multiharmonic TSFEL. Using two-stream helical REB in TSFEL, it is possible to form a multiharmonic electromagnetic wave with wide frequency spectrum and at smaller distances compared to TSFELs that use straight REBs. It has been demonstrated that in the case of multiharmonic input signal with a narrow frequency spectrum in multiharmonic TSFEL amplifiers with helical REB, the formation of powerful multiharmonic electromagnetic wave occurs at lengths two and more times smaller than the systems using monochromatic input signal.