Еxcitation of the repetition frequency harmonics of electron bunches at their injection to atmosphere

Abstract

The origin of microwave radiation when injecting a regular train of relativistic electron bunches into atmospheric pressure air is studied experimentally. Measurements of the wavelength of microwave oscillations were made when they form a standing wave. The microwave oscillations have the largest amplitude, when their frequency is close to the tripled repetition frequency of the electron bunches. The radiation mechanism is a direct conversion of excited plasma oscillations to periodic small-scale in homogeneities of the plasma. When the sequence of bunches is injected into the atmosphere, the radiation with the greatest amplitude is observed from the plasma region with a plasma frequency close to the tripled bunch repetition frequency. This is because the frequencies of the first and second harmonics are much lower than the frequency of collisions of plasma electrons with neutral molecules at an air pressure close to atmospheric. The frequency of the third harmonic is only half the collision frequency; this allows plasma oscillations to develop at this frequency. The wavelength of the third harmonic is twice as long as the length of the electron bunches, which also leads to an increase in its amplitude relative to the first and second harmonics.

Експериментально досліджено виникнення НВЧ-випромінювання при інжекції регулярної послідовності релятивістських електронних згустків у повітря атмосферного тиску. Вимірювання довжини хвилі НВЧ-коливань проводилися при утворенні ними стоячої хвилі. Найбільшу амплітуду мають НВЧ-коливання, частота яких близька до потроєної частоти проходження електронних згустків. Механізмом випромінювання є пряма конверсія збуджуваних плазмових коливань на періодичних дрібномасштабних неоднорідностях щільності плазми, яка створюється електронними згустками в повітрі. При інжекції послідовності згустків в атмосферу максимальна амплітуда випромінювання спостерігається з області плазми, плазмова частота в якій є близькою до потроєної частоти проходження згустків. Це пояснюється тим, що частоти першої і другої гармонік значно менші частоти зіткнень плазмових електронів з нейтральними молекулами при тиску повітря, близькому до атмосферного. Частота третьої гармоніки тільки в два рази менше частоти зіткнень, що дозволяє плазмовим коливанням розвиватися на цій частоті. Довжина хвилі третьої гармоніки в два рази перевищує довжину електронних згустків, що також призводить до збільшення її амплітуди щодо першої і другої гармонік частоти проходження згустків

Экспериментально исследовано возникновение СВЧ-излучения при инжекции регулярной последовательности релятивистских электронных сгустков в воздух при атмосферном давлении. Измерения длины волны СВЧ-колебаний производились при образовании ими стоячей волны. Наибольшую амплитуду имеют СВЧ-колебания, частота которых близка к утроенной частоте следования электронных сгустков. Механизмом излучения является прямая конверсия возбуждаемых плазменных колебаний на периодических мелкомасштабных неоднородностях плотности плазмы, которая создается электронными сгустками в воздухе. При инжекции последовательности сгустков в атмосферу максимальная амплитуда излучения наблюдается из области плазмы, плазменная частота которой близка к утроенной частоте следования сгустков. Это объясняется тем, что частоты первой и второй гармоник значительно меньше частоты столкновений плазменных электронов с нейтральными молекулами при давлении воздуха, близком к атмосферному. Частота третьей гармоники только в два раза меньше частоты столкновений, что позволяет плазменным колебаниям развиваться на этой частоте. Длина волны третьей гармоники в два раза превышает длину электронных сгустков, что также приводит к увеличению ее амплитуды относительно первой и второй гармоник частоты следования сгустков.