THE ELECTRON CYCLOTRON MASER INSTABILITY

Résumé
L'instabilité maser cyclotron a une double importance ; d'abord il y a un intérêt scientifique fondamental dans cette forte instabilité d'un ensemble d'électrons spiralant dans un champ magnétique ; ensuite, cette instabilité est à la base d'une nouvelle catégorie de générateurs d'ondes millimétriques de puissance (gyrotrons), qui sont en train de trouver une application au chauffage r. f. de plasma dans les appareils de recherche sur la fusion contrôlée. Dans cet article, les théories linéaire et non linéaire sont considérées. Des effets relativistes associés avec les électrons spiralant sont responsables de l'amplification d'un mode transverse électrique de guide d'onde. L'évolution temporelle non linéaire de l'amplitude du champ et de la fréquence d'une seule onde, est décrite. La dynamique d'onde non linéaire est déterminée de façon auto-consistante à partir des orbites non linéaires des particules, par les équations de force et d'onde. On trouve deux mécanismes de saturation de la croissance de l'onde : (1) épuisement de l'énergie libre disponible dans les électrons tournants ; (2) piégeage en phase des électrons avec l'onde. La compétition entre les deux mécanismes de saturation conduit à un étroit maximum pour l'efficacité de conversion d'énergie en fonction de l'énergie du faisceau. La théorie a été utilisée pour construire un amplificateur gyrotron non linéaire ayant 340 kW de puissance en sortie à 35 GHz avec une efficacité optimisée à 51 % dans le référentiel du plasma.

Abstract
The cyclotron maser instability has a two-fold importance, first, there is fundamental scientific interest in this strong instability of an ensemble of spiralling electrons in a magnetic field ; second, this instability is the basis for a new class of powerful millimeter wave generators (gyrotrons) which are finding application to r.f. heating of plasma in controlled fusion research devices. In this paper, both the linear theory and the nonlinear theory of the instability are considered. Relativistic effects associated with the spiralling electrons are responsible for amplification of a transverse electric waveguide mode. The temporal nonlinear evolution of the field amplitude and frequency of a single wave is described. The nonlinear wave dynamics are selfconsistently determined from the nonlinear particle orbits through the force and wave equations. Two mechanisms for saturation of wave growth are fond : (1) depletion of the available free energy associated with the rotating electrons ; (2) phase trapping of the electrons in the wave. Competition between the two saturation mechanisms leads to a peaking in the energy conversion efficiency as a function of beam energy. The theory has been used to design a nonlinear gyrotron amplifier with 340 kW output power at 35 GHz with efficiency optimized at 51 % in the laboratory frame.