Cubic Nonlinear Theory of Superheterodyne Parametric H-ubitron FEL with Section for Amplifying Longitudinal Space Charge Waves

Abstract

В роботі проведено аналіз хвильової динаміки параметричного супергетеродинного Н-убітронного лазера на вільних електронах (ЛВЕ) з секцією підсилення поздовжньої хвилі в рамках кубічного нелінійного наближення. Ключовою особливістю досліджуваного лазера на вільних електронах є реалізація двох взаємопов’язаних трихвильових параметричних резонансів. Перший параметричний резонанс виникає між електромагнітним сигналом і магнітним полем H-убітронної накачки. Другий – між поздовжнім полем електростатичного ондулятора, швидкими та повільними хвилями просторового заряду. Другий параметричний резонанс забезпечує додаткове підсилення повільної хвилі просторового заряду. У досліджуваній моделі враховано ефект генерації електростатичного поля накачки, проведе-но аналіз впливу квазіелектростатичного поля підпору, визначено довжини та рівні насичення ЛВЕ. Продемонстровано, що за рахунок додаткового підсилення повільної хвилі просторового заряду у секції підсилення поздовжньої хвилі, а також з урахуванням ефекту генерації електростатичного поля накачки, довжина насичення електромагнітної хвилі сигналу зменшується на 18%. Для підвищення рівня насичення вихідного електромагнітного сигналу використано квазіелектростатичне поле підпо-ру, в якому напруженість електростатичного поля лінійно зростає, починаючи з певної координати. Показано, що оптимальне квазіелектростатичне поле підпору дозволяє підвищити вихідний рівень насичення електромагнітного сигналу більш ніж на 130%. Таким чином, використання параметрично-го супергетеродинного Н-убітронного лазера на вільних електронах з поздовжньою секцією підсилення хвиль просторового заряду та квазіелектростатичним полем підпору має низку переваг порівняно з традиційним Н-убітронним лазером на вільних електронах, а саме зменшення поздовжніх розмірів всього пристрою та збільшення потужності вихідного електромагнітного сигналу.

In this paper, an analysis of the wave dynamics of a parametric superheterodyne H-ubitron free-electron laser with a longitudinal wave amplification section is carried out within the cubic nonlinear approximation. A key feature of the studied free-electron laser is the implementation of two interconnected three-wave parametric resonances. The first parametric resonance occurs between the electromagnetic signal and the magnetic field of the H-ubitron pump. The second parametric resonance occurs between the longitudinal field of the electrostatic undulator and the fast and slow space-charge waves. The second parametric resonance pro-vides additional amplification of the slow space-charge wave. The studied model considers the effect of electrostatic pumping field generation, an analysis of the influence of a quasi-electrostatic support field is carried out, and the lengths and saturation levels of such devices are determined. It is demonstrated that, due to the additional amplification of the slow space charge wave in the longitudinal wave amplification section, as well as taking into account the effect of electrostatic pumping field generation, the saturation length of the electromagnetic signal wave is reduced by 18%. To increase the output electromagnetic signal's saturation level, we propose using a quasi-electrostatic support field, in which the electrostatic field strength in-creases linearly starting from a specific coordinate. It is demonstrated that an optimal quasi-electrostatic support field allows us to increase the output saturation level of the electromagnetic signal by more than 130%. Thus, the use of a parametric superheterodyne H-ubitron freeelectron laser with a longitudinal space charge wave amplification section and a quasi-electrostatic support field has several advantages compared to a traditional H-ubitron free-electron laser, namely, a reduction in the longitudinal dimensions of the en-tire device and an increase in the power of the output electromagnetic signal.