Issues

 / 

2008

 / 

October

  

Reviews of topical problems


Spontaneous and stimulated emission induced by an electron, electron bunch, and electron beam in a plasma

 a,  b, a
a Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics, Leninskie Gory 1 build. 2, Moscow, 119991, Russian Federation
b Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 38, Moscow, 119991, Russian Federation

Two fundamental mechanisms — the Cherenkov effect and anomalous Doppler effect — underlying the emission by an electron during its superluminal motion in medium are considered. Cherenkov emission induced by a single electron and a small electron bunch is spontaneous. In the course of spontaneous Cherenkov emission, the translational motion of an electron is slowed down and the radiation energy grows linearly with time. As the number of radiating electrons increases, Cherenkov emission becomes stimulated. Stimulated Cherenkov emission represents a resonance beam instability. This emission process is accompanied by longitudinal electron bunching in the beam or by the breaking of an electron bunch into smaller bunches, in which case the radiation energy grows exponentially with time. In terms of the longitudinal size $L_e$ of the electron bunch there is a transition region $\lambda < {L_e} < \lambda\delta_0^{-1}$ between the spontaneous and stimulated Cherenkov effects, where $\lambda$ is the average radiation wavelength, and $\delta_0$ is the dimensionless (in units of the radiation frequency) growth rate of the Cherenkov beam instability. The range to the left of this region is dominated by spontaneous emission, whereas the range to the right of this region is dominated by stimulated emission. In contrast to the Vavilov — Cherenkov effect, the anomalous Doppler effect should always (even for a single electron) be considered as stimulated, because it can only be explained by accounting for the reverse action of the radiation field on the moving electron. During stimulated emission in conditions where anomalous Doppler effect shows itself, an electron is slowed down and spins up; in this case, the radiation energy grows exponentially with time.

Fulltext pdf (1.5 MB)
Fulltext is also available at DOI: 10.1070/PU2008v051n10ABEH006634
PACS: 41.60.−m, 52.35.−g, 52.40.Mj (all)
DOI: 10.1070/PU2008v051n10ABEH006634
URL: https://ufn.ru/en/articles/2008/10/b/
000262714300002
2-s2.0-67849099230
2008PhyU...51..989K
Citation: Kuzelev M V, Rukhadze A A "Spontaneous and stimulated emission induced by an electron, electron bunch, and electron beam in a plasma" Phys. Usp. 51 989–1018 (2008)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Оригинал: Кузелев М В, Рухадзе А А «Спонтанное и вынужденное излучение электрона, электронного сгустка и электронного пучка в плазме» УФН 178 1025–1055 (2008); DOI: 10.3367/UFNr.0178.200810b.1025

References (37) ↓ Cited by (21) Similar articles (20)

  1. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B Usp. Fiz. Nauk 152 285 (1987); Kuzelev M V, Rukhadze A A Sov. Phys. Usp. 30 507 (1987)
  2. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B "’a’?kh’?’?’?’?’?ы с’?’?’?т’?’?’?’?’?’? ’? ’?ы’?уzh’?’?’?’?’?’?’? ’?’?’?уch’?’?’?’? р’?’?yaт’?’?’?стс’?’?kh э’?’?’?тр’?’?’?ыkh ’?уch’?’?’?" ’? с’?. ’zр’?’?’?’?’?ы т’?’?р’?т’?ch’?с’?’?’? ф’?’?’?’?’? ’? ’?стр’?ф’?’?’?’?’?: ’l’?’?р’?’?’? ст’?т’?’?, ’?’?с’?yashch’?’?’?ы’? 70-’?’?т’?yu ’E.’’. ’I’?’?’?’?ур’?’? (’dт’?. р’?’?. ’’ ’E ’F’?’?’?ыsh, ’E Ya ’sa’?’?’?’?р’?) (’a.: ’v’?у’?’?, 1989) с. 70
  3. Buts V A, Lebedev A N, Kurilko V I The Theory Of Coherent Radiation By Intense Electron Beams (Berlin: Springer, 2006)
  4. ’I’?р’?у’?’?’? ’a ’B, ’’’?’?’?’?’?’? ’B ’v Priklad. Fiz. (5) 5 (2008)
  5. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B ’a’?т’?’?ы т’?’?р’?’? ’?’?’?’? ’? ср’?’?’?kh с ’?’?с’?’?рс’?’?’? (’a.: ’s’?’?’?’?т’?’?т, 2007)
  6. ’I’?’?’?’?ур’? ’E ’’ ’n’?’?р’?т’?ch’?с’?’?ya ф’?’?’?’?’? ’? ’?стр’?ф’?’?’?’?’?: ’K’?’?’?’?’?’?т’?’?ь’?ы’? ’?’?’?’?ы 2-’? ’?’?’?. (’a.: ’v’?у’?’?, 1981); Translated into English, Ginzburg V L Applications Of Electrodynamics In Theoretical Physics And Astrophysics 2nd ed. (New York: Gordon and Breach, 1989)
  7. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B ’e’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?’?’?’? ’?’?’?т’?ыkh э’?’?’?тр’?’?’?ыkh ’?уch’?’?’? ’? ’?’?’?’?’?’? (’a.: ’v’?у’?’?, 1990)
  8. ’B’?’?’?с’?’?’?р’?’? ’B ’s, ’G’?’?’?’?’?’?’?’?’?ch ’’ ’l, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B ’dс’?’?’?ы э’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?’?’?’? ’?’?’?’?’?ы (’a.: ’Eысsh’?ya sh’?’?’?’?, 1988); Translated into English, Aleksandrov A F, Bogdankevich L S, Rukhadze A A Principles Of Plasma Electrodynamics (Berlin: Springer-Verlag, 1984)
  9. ’’’?фsh’?ts ’M ’a, ’z’?т’?’?’?с’?’?’? ’’ ’z ’s’?’?’?ch’?с’?’?ya ’?’?’?’?т’?’?’? (’a.: ’v’?у’?’?, 1979); Translated into English, Lifshitz E M, Pitaevskii L P Physical Kinetics (Oxford: Pergamon Press, 1981)
  10. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Radiofiz. 36 867 (1993); Kuzelev M V, Rukhadze A A Radiophys. Quantum Electron. 36 661 (1993)
  11. ’G’?’?ы’?’?’? Yu ’E, ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B Radiotekh. 47 166 (2002); Bobylev Yu V, Kuzelev M V, Rukhadze A A J. Commun. Technol. Electron. 47 149 (2002)
  12. Heitler W The Quantum Theory Of Radiation 3rd ed. (Oxford: Clarendon Press, 1954); ’I’?’?т’?’?р ’E ’F’?’?’?т’?’?’?ya т’?’?р’?ya ’?’?’?уch’?’?’?ya (’a.: ’R’’, 1956)
  13. ’l’?’?’?’? ’E ’z, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B ’e’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?т’?ы’? с’?’?’?ст’?’? ’?’?’?’?’?ы ’? ’?’?’?’?’?’?’?’?’?’?’?’?ыkh ср’?’? (’a.: ’Bт’?’?’?’?’?’?т, 1961)
  14. ’n’?’?’? ’R ’M, ’sр’?’?’? ’R ’a Dokl. Akad. Nauk SSSR 14 107 (1937); Tamm I E, Frank I M C.R. Acad. Sci. USSR 14 107 (1937)
  15. ’G’?’?’?т’?’?с’?’?’? ’G ’a Usp. Fiz. Nauk 62 (3) 201 (1957)
  16. ’Bkh’?’?’?’?р ’B ’R ’? ’?р. ’e’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?’?’?’? ’?’?’?’?’?ы (’z’?’? р’?’?. ’B ’R ’Bkh’?’?’?’?р’?) (’a.: ’v’?у’?’?, 1974)
  17. ’I’?’?’?’?ур’? ’E ’’, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B ’E’?’?’?ы ’? ’?’?’?’?’?т’?’?’?т’?’?’?’?’? ’?’?’?’?’?’? 2-’? ’?’?’?. (’a.: ’v’?у’?’?, 1975)
  18. ’R’?’?’?’?’? ’B ’B ’s’?’?’?’?’? с’?’?ь’?’?’?’?р’?’?’?’?’?’?с’?’?’? ’?’?’?’?’?ы (’a.: ’Bт’?’?’?’?’?’?т, 1977)
  19. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B, ’lтр’?’?’?’?’? ’z ’l ’z’?’?’?’?’?’?’?’?ya р’?’?yaт’?’?’?стс’?’?ya ’l’ECh-э’?’?’?тр’?’?’?’?’? (’a.: ’R’?’?-’?’? ’a’I’n’p ’?’?. ’v.’e. ’G’?у’?’?’?’?, 2002)
  20. ’I’?’?’?’?ур’? ’E ’’ Zh. Eksp. Teor. Fiz. 10 589 (1940)
  21. ’’’?’?’?’?у ’’ ’K, ’’’?фsh’?ts ’M ’a ’e’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?’?’?’? с’?’?’?sh’?ыkh ср’?’? (’a.: ’v’?у’?’?, 1982); Translated into English, Landau L D, Lifshitz E M Electrodynamics Of Continuous Media (Oxford: Pergamon Press, 1984)
  22. ’’’?’?’?’?у ’’ ’K, ’’’?фsh’?ts ’M ’a ’n’?’?р’?ya ’?’?’?ya (’a.: ’v’?у’?’?, 1982); Translated into English, Landau L D, Lifshitz E M The Classical Theory Of Fields (Oxford: Pergamon Press, 1975)
  23. ’R’?ь’?’?с’?’?’? ’B ’l, ’Fр’?’?ts’?’? ’E ’E, ’l’?’?sh’?’?’?’?’? ’B ’I ’a’?т’?’?’?т’?ch’?с’?’?’? ’?’?’?’?’?’? э’?’?’?тр’?’?’?’?’?’?’?’?’? (’a.: ’Eысsh’?ya sh’?’?’?’?, 1991)
  24. ’n’?kh’?’?’?’? ’B ’v, ’l’?’?’?рс’?’?’? ’B ’B ’pр’?’?’?’?’?’?ya ’?’?т’?’?’?т’?ch’?с’?’?’? ф’?’?’?’?’? 2-’? ’?’?’?. (’a.: ’I’R’n’n’’, 1953); Translated into English, Tikhonov A N, Samarskii A A Equations Of Mathematical Physics (New York: Macmillan, 1963)
  25. ’nру’?’?ts’?’?’? ’K ’R, Khр’?’?’?’? ’R ’K ’’’?’?ts’?’? ’?’? с’?’?рkh’?ыс’?’?’?ch’?ст’?т’?’?’? э’?’?’?тр’?’?’?’?’? ’?’?ya ф’?’?’?’?’?’? Т. 1 (’a.: ’s’?’?’?’?т’?’?т, 2005)
  26. Born M, Wolf E Principles Of Optics (Oxford: Pergamon Press, 1964); ’G’?р’? ’a, ’E’?’?ьф ’e ’dс’?’?’?ы ’?’?т’?’?’? (’a.: ’v’?у’?’?, 1970)
  27. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E Fiz. Plazmy 34 318 (2008); Kuzelev M V Plasma Phys. Rep. 34 284 (2008)
  28. ’F’?рт’?sh’?’? ’R ’v, ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E Fiz. Plazmy 27 406 (2001); Kartashov I N, Kuzelev M V Plasma Phys. Rep. 27 381 (2001)
  29. Watson G N A Treatise On The Theory Of Bessel Functions (Cambridge: The Univ. Press, 1945); ’E’?тс’?’? ’Kzh ’v ’n’?’?р’?ya ’?’?сс’?’?’?’?ыkh фу’?’?ts’?’? (’a.: ’R’’, 1949)
  30. ’’’?’?’?’?у ’’ ’K, ’’’?фsh’?ts ’M ’a ’I’?’?р’?’?’?’?’?’?’?’?’? (’a.: ’v’?у’?’?, 1988); Translated into English, Landau L D, Lifshitz E M Fluid Mechanics (Oxford: Pergamon Press, 1987)
  31. Zh’?’?’?’?’?ya’?’?’? ’E ’E ’R’?’?. ’?у’?’?’?. ’l’?р. ’i’?’?’?’?ф’?’?’?’?’? 2 (1) 14 (1959)
  32. ’I’?’?’?’?ур’? ’E ’’, ’sр’?’?’? ’R ’a Dokl. Akad. Nauk SSSR 56 583 (1947); Ginzburg V L, Frank I M C.R. Acad. Sci. USSR 56 583 (1947)
  33. ’v’?’?’?’?’? ’a ’E Usp. Fiz. Nauk 120 481 (1976); Nezlin M V Sov. Phys. Usp. 19 946 (1976)
  34. ’G’?’?’?’?’?’?’?’?’?ch ’’ ’l, ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B Usp. Fiz. Nauk 133 3 (1981); Bogdankevich L S, Kuzelev M V, Rukhadze A A Sov. Phys. Usp. 24 1 (1981)
  35. Ch’?р’?’?’?’?’? ’z ’B Dokl. Akad. Nauk SSSR 2 451 (1934); Cherenkov P A C.R. Acad. Sci. USSR 2 451 (1934)
  36. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E ’? ’?р. Dokl. Akad. Nauk SSSR 267 829 (1982); Kuzelev M V et al. Sov. Phys. Dokl. 27 1030 (1982)
  37. ’Fу’?’?’?’?’? ’a ’E, ’’’?’?’? ’d ’n, ’iуkh’?’?’?’? ’B ’B, ’lтр’?’?’?’?’? ’z ’l, Sh’?’?’?ру’?’?ts ’B ’I Fiz. Plazmy 27 710 (2001); Kuzelev M V, Loza O T, Rukhadze A A, Strelkov P S, Shkvarunets A G Plasma Phys. Rep. 27 669 (2001)

© 1918–2026 Uspekhi Fizicheskikh Nauk
Email: ufn@ufn.ru Editorial office contacts About the journal Terms and conditions