Nonrelativistic free electron lasers

Abstract

The results of the theoretical and experimental investigations of excitation of oscillations by flows of charged particles and its particles dynamics are represented at their motion as in a periodic potential and in a field of a plane electromagnetic wave and in periodically inhomogeneous medium. The special attention is given to research of non-relativistic motion. It was found conditions that under their fulfilling the maximum of radiation of nonrelativistic oscillators fall at high numbers of oscillators harmonics. Linear stage of beam instability is analytically studied, the increments of instability are determined. Nonlinear self-consistent theory of electromagnetic waves excitation by flows of the charged particles is developed. By the numerical methods are investigated linear and non-linear stage of excitation of a high-frequency wave with frequency corresponding to high number harmonics of external wave. Capability of effective excitation of harmonics by ensemble of nonrelativistic oscillators in SHF range and transformation of energy of external 10 cm of radiation to energy of ultraviolet radiation is shown experimentally.

Приведено результати теоретичного й експериментального досліджень збудження коливань потоками заряджених часток і динаміки часток при їхньому русі як у періодичному потенціалі в полі плоскої електромагнітної хвилі, так і в періодично неоднорідному середовищі. Особлива увага приділена дослідженню нерелятивістського руху. Знайдені умови при виконанні яких максимум випромінювання нерелятивістських осциляторів припадає на високі номери гармонік осциляторів. Аналітично досліджена лінійна стадія пучкової нестійкості, визначені инкременти нестійкості. Побудовано нелінійну самоузгоджену теорію збудження електромагнітних хвиль потоками заряджених часток. Чисельними методами досліджені лінійна й нелінійна стадії збудження високочастотної хвилі з частотою, що відповідає високому номеру гармоніки зовнішньої хвилі. Експериментально показана можливість ефективного збудження гармонік ансамблем нерелятивістських осциляторів у СВЧ-діапазоні й перетворення енергії зовнішнього 10 см-випромінювання в енергію ультрафіолетового випромінювання.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований возбуждения колебаний потоками заряженных частиц и динамики частиц при их движении как в периодическом потенциале в поле плоской электромагнитной волны, так и в периодически неоднородной среде. Особое внимание уделено исследованию нерелятивистского движения. Найдены условия, при выполнении которых максимум излучения нерелятивистских осцилляторов приходится на высокие номера гармоник осцилляторов. Аналитически исследована линейная стадия пучковой неустойчивости, определены инкременты неустойчивости. Построена нелинейная самосогласованная теория возбуждения электромагнитных волн потоками заряженных частиц. Численными методами исследованы линейная и нелинейная стадии возбуждения высокочастотной волны с частотой, соответствующей высокому номеру гармоники внешней волны. Экспериментально показана возможность эффективного возбуждения гармоник ансамблем нерелятивистских осцилляторов в СВЧ-диапазоне и преобразования энергии внешнего 10 см-излучения в энергию ультрафиолетового излучения.