ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПОТОКА ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МУЛЬТИМЕГАВАТТНОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ ПРИ РЕЛАКСАЦИИ РЭП В ЗАМАГНИЧЕННОМ ПЛАЗМЕННОМ СТОЛБЕ

Одной из актуальных задач современной физики является освоение терагерцового (ТГц) диапазона, который расположен в интервале частот 0.1–10 ТГц (длины волн 3–0.03 мм) в спектре электромагнитного (ЭМ) излучения. Трудности освоения ТГц диапазона связаны с тем, что он лежит между инфракрасным (ИК) и микроволновым (сверхвысокочастотным, СВЧ) диапазонами, а перенос применяемых там методов генерации и преобразования потоков излучения встречает значительные препятствия. В то же время освоение ТГц диапазона крайне необходимо из-за открывающихся возможностей использования этого излучения в обширной сфере возможных приложений, что связано с его характерными особенностями. Терагерцовое излучение не оказывает вредного воздействия на объекты живой природы, обладает способностью проникать глубоко в вещества и диэлектрические материалы, непрозрачные в оптическом и инфракрасном диапазонах, может возбуждать колебательные моды супрамолекулярных структур и кристаллических решёток твёрдого тела, а также вращательные уровни сложных молекул. Одним из перспективных направлений в решении указанной проблемы является использование метода генерации излучения на основе механизма коллективного торможения релятивистского электронного пучка (РЭП) в замагниченной плазме. Гигаваттный уровень мощности таких пучков позволяет получать на выходе генераторов поток ТГц излучения с мощностью масштаба десятков и даже сотен МВт. Кроме того, использование этого физического механизма в пучково-плазменной системе открывает уникальную возможность быстрой перестройки частоты генерируемого излучения путём варьирования плотности плазмы. В рамках диссертации была решена задача генерации направленного потока ТГц излучения мегаваттного уровня мощности, выходящего вдоль оси пучково-плазменной системы. Методологической основой диссертационной работы являются экспериментальные методы исследования генерации ЭМ излучения, возникающего при релаксации РЭП в замагниченном плазменном столбе. В многочисленных сериях проведённых экспериментов определены условия, обеспечивающие формирование и вывод из плазмы в атмосферу потоков ТГц излучения с уровнем мощности масштаба 10 МВт. Выявлено, что в случае периодического возмущения концентрации плазмы по диаметру плазменного столба достигается 30-кратное увеличение спектральной плотности мощности генерируемого пучково-плазменной системой излучения на частотах 0.2–0.3 ТГц по отношению к случаю однородного распределения концентрации по сечению столба. Такой рост спектральной плотности мощности получил объяснение в рамках теоретической модели, в которой авторами рассмотрена накачка непосредственно пучком релятивистских электронов электромагнитной ветви плазменных колебаний. Создана многоколлекторный датчик для измерения распределения электронов РЭП по питч-углам и методика, позволяющая восстановить эту функцию при помощи регистрируемых с датчика сигналов. Измерены параметры РЭП, при которых достигается высокий уровень пучково-плазменного взаимодействия. Изучено несколько конфигураций столба предварительной плазмы с различными профилями концентрации применительно к генерации мощного потока ТГц излучения. Измерены характеристики потока ТГц излучения, выходящего вдоль оси пучково-плазменной системы. По результатам проведенных экспериментов продемонстрирована возможность генерации потоков излучения в спектральной области 0.1–0.6 ГГц с энергосодержанием 5–7 Дж при длительности импульса на полувысоте0.5–0.8 мкс и уровнем мощности 8±2 МВт при релаксации РЭП с током 20-25 кА, плотностью тока 1.5–2 кА/см^-3, энергией электронов 0.4–0.6 МэВ и угловой расходимостью 0.1±0.02 рад в замагниченном плазменном столбе с плотностью 4*10^14 см^-3. Результаты проведенного исследования дают основу для создания и развития импульсных генераторов ТГц излучения мультимегаваттного уровня мощности, что имеет большое значение для расширения возможностей использования источников такого излучения в сфере практических применений.