Wave–particle interactions are central in plasma physics. They can be studied in a traveling wave tube (TWT) to avoid intrinsic plasma noise. This led to detailed experimental analysis of the self-consistent interaction between unstable waves and an either cold or warm beam. More recently a test cold electron beam has been used to observe its non-self-consistent interaction with externally excited wave(s). The velocity distribution function of the electron beam is recorded with a trochoidal energy analyzer at the output of the TWT. An arbitrary waveform generator is used to launch a prescribed spectrum of waves along the slow wave structure (a 4 m long helix) of the TWT. The nonlinear synchronization of particles by a single wave responsible for Landau damping is observed. The resonant velocity domain associated with a single wave is also observed, as well as the transition to large scale chaos when the resonant domains of two waves and their secondary resonances overlap. This transition exhibits a 'devil's staircase' behavior when increasing the excitation amplitude in agreement with numerical simulation. A new strategy for control of chaos by building barriers of transport which prevent electrons from escaping from a given velocity region as well as its robustness are successfully tested. The underlying concepts extend far beyond the field of electron devices and plasma physics.
波動-粒子相互作用はプラズマ物理学の中心的なテーマである。これらは進行波管（TWT）を用いることで、固有のプラズマ雑音を避けて研究することができる。これにより、不安定波と低温または高温のビームとの間の自己無撞着な相互作用の詳細な実験的解析が行われた。より最近では、試験用の低温電子ビームを用いて、外部励起された波動との非自己無撞着的な相互作用が観測されている。電子ビームの速度分布関数は、TWTの出力部に設置されたトロコイド型エネルギー分析器によって記録される。任意波形発生器を用いて、TWTのスロー波構造（長さ4mのヘリックス）に沿って所定のスペクトルを持つ波が励起される。ランダウ減衰の原因となる単一の波による粒子の非線形同期が観測される。単一の波に関連する共鳴速度領域も観測され、さらに2つの波の共鳴領域とその二次共鳴が重なるときの大規模カオスへの遷移も観測される。この遷移は、励起振幅を増大させると「悪魔の階段」的挙動を示し、数値シミュレーションと一致する。電子の速度領域からの逃散を防ぐ輸送障壁を構築するというカオス制御の新しい戦略が、その堅牢性とともに実験的に検証された。これらの基礎となる概念は、電子デバイスやプラズマ物理学の分野をはるかに超えて適用可能である。