Эффекты модуляции пучка в лазерах на свободных электронах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, доктор физико-математических наук Серов, Александр Васильевич

• Серов, Александр Васильевич
• доктор физико-математических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Серов, Александр Васильевич

Введение.

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНАХ

Введение

1.1 Взаимодействие сгустка частиц с электромагнитной волной в лазере на свободных электрона.

1.2 Экспериментальное исследование работы параметрического лазера на свободных электронах.

1.3 Численный расчет коэффициента усиления лазера, учитывающий модуляцию параметров электронного пучка при его инжекции в лазер.

1.4 Экспериментальное исследование работы лазера, использующего поворотный магнит вместо ондулятора.

1.5 Экспериментальное исследование работы лазера, использующего открытый резонатор.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты модуляции пучка в лазерах на свободных электронах»

2.1 Экспериментальное исследование низкочастотного излучения релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности.54

2.2 Расчет спектрально-угловых и поляризационных характеристик низкочастотного излучения релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности.61

2.3 Об измерении переходного излучения на расстояниях от точки перехода сравнимых с длиной формирования.71

Заключение .80

Литература .80

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ТРЕНИЯ НА РАБОТУ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Введение .82

3.1 Влияние радиационного трения на коэффициент усиления.86

3.2 Влияние радиационного трения на фазовое пространство пучка.92

3.3 Радиационное взаимодействие электронов в ондуляторе.97

3.4 Радиационные силы в сгустке конечных размеров.102

3.5 Влияние когерентных радиационных сил на фазовое движение частиц .106

Заключение .109

Литература .110

ГЛАВА 4. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ НЕОДНОРОДНУЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ВОЛНУ

Введение .111

4.1 Пространственное распределение частиц, отражаемых электромагнитным лучом.114

4.2 Численное исследование движения сгустка.119

4.3 Аналитическое описание движения сгустка.125

4.4 Пондеромоторная сила пропорциональная < ЕА >.131

Заключение .138

Литература .139

Заключение.141

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перспективы решения многих задач в различных областях физики и смежных наук тесно связаны с созданием новых источников электромагнитного излучения. Современные задачи предъявляют все более высокие и зачастую противоречивые требования к характеристикам источников: энергии фотонов, монохроматичности, диапазону перестойки, степени поляризации, интенсивности. В связи с этим не ослабевает интерес к разработке и созданию новых источников излучения.

Одним из таких источников является лазер на свободных электронах, конструкция которого отличается как от приборов классической электроники (убитронов, ЛБВ), так и от квантовых генераторов (лазеров). Излучающие электроны в традиционных лазерах связаны в атоме, молекуле или кристалличекой решетке. Именно эти связи определяют энергетические уровни, задающие частоту индуцированного излучения при квантовых переходах. В квантовых генераторах энергия связанных электронов имеет тот же порядок, что и энергия излучаемого кванта. Большая мощность излучения достигается за счет большого количества элементарных излучателей, работающих в фазе друг с другом. Плотность излучателей в лазере на свободных электронах гораздо меньше, чем в традиционном лазере, но полная энергия каждого из излучателей на много больше энергии одного кванта. Поэтому увеличение мощности излучения достигается за счет многократного, последовательного испускания квантов одним электроном.

Достоинствами ЛСЭ, открывающими большие возможности для их применения, являются широкий диапазон частот излучения, возможность непреывной перестойки частоты, высокие импульсные и средние мощности. В последние десятилетия, особенно после успешных экспериментов /1,2/, выполнено большое число исследований, направленных на выяснение физической природы процессов в лазере на свободных электронах, на использование новых принципов усиления. По мере проведения исследований результаты систематизируются в обзорных статьях и монографиях /3-5/. Созданы лазеры на которых ведутся не только работы по исследованию физики процесса генерации, но и большое число прикладных работ. Ежегодно проходят Международные конференции по физике лазеров на свободных электронах и Рабочие совещания по ис-пользовению лазеров. Труды конференций публикуются в специальных выпусках журнала Nuclear Instruments and Methods /6-9/.

При создании лазеров на свободных электронах релятивизм частиц имеет принципиальное значение, поскольку только в этом случае эффективно действует доплеровский сдвиг частоты, позволяющий генерировать излучение с длиной волны много меньше размеров излучающей системы. Условие релятивизма электронов значительно удорожает и усложняет устройство лазера, так как необходимо в качестве источника электронов использовать различные ускорители. Радиационный фон, создаваемый ускорителями, требует размещения лазера в специальном помещении. Поэтому разработка и создание лазера оправданы только в том случае, когда поставленная задача не может быть решена с помощью других источников излучения.

Сразу можно отметить, что лазеры на свободных электронах перспективны в тех спектральных областях, для которых нет или разработано очень мало источников излучения. Такими областями, например, являются области субмиллиметрового и ультрафиолетового диапазонов. В видимой области спектра лазеры на свободных электронах могут конкурировать с традиционными лазерами только в тех случаях, когда решающую роль играет возможность непрерывной перестройки частоты излучения.

Основными элементами типичной конструкции лазера на свободных электронах являются: ускоритель формирующий релятивистский электронный пучок, устройство испускающее при прохождении через него релятивистского пучка начальное "затравочное" излучение и резонатор для генерируемого излучения. Взаимодействие электронного потока с "затравочной" электромагнитной волной вызывает модуляцию параметров пучка и изменение пространственного распределения частиц, поскольку траектория движения отдельного электрона зависит от фазы поля в момент попадания электрона в волну. Изменение пространственного распределения частиц при выполнении определенных условий приводит к существенному росту поля волны. Поэтому модуляция параметров электронного пучка является необходимым условием увеличения мощности излучения.

Иногда под лазерами на свободных электронах понимают узкий класс источников индуцированного когерентного излучения использующих ондуляторы. Это, по-видимому, объясняется тем, что именно ондулятор-ное излучение является наиболее подходящим "затравочным" излучением для систем генерирующих индуцированное излучение. Из теории лазеров на свободных электронах следует, что эффективность преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение определяется спектрально-угловыми характеристиками "затравочного" излучения.

Так коэффициент усиления излучения с данной длиной волны пропорционален производной по частоте от интенсивности спонтанного излучения, т.е. крутизне спектра спонтанного излучения на усиливаемой длине волны. Поэтому для получения эффекта индуцированного излучения малопригодны такие радиационные процессы, как тормозное и переходное излучения, обладающие почти сплошным спектром. А ондуляторное излучение является хорошим " затравочным" излучением для лазера на свободных электронах, поскольку имеет линейчатый спектр, спектральная яркость которого выше, чем у многих других видов излучения. Ондуляторное движение может формироваться винтовым и линейно поляризованным магнитным полем, электростатическим устройством, содержащим последовательность электродов переменной полярности, электромагнитной волной большой интенсивности. Однако физика процесса и большая часть выводов полученных для лазера на ондуляторе справедлива и для других модификаций лазера использующих излучение Вавилова-Черенкова, эффект Смита-Парселла, переходное излучение и др.

В некоторых случаях спектрально-угловое распределение спонтанного излучения в интересующем диапазоне длин волн определяется не только типом радиационного процесса, но и в значительной мере степенью мо-дулированности параметров пучка. Это происходит при использовании электронных сгустков с геометрическими размерами или периодом модуляции соизмеримыми с длиной волны генерируемого излучения. Мо-дулированность пучков позволяет создать новую разновидность лазера на свободных электронах - так называемый параметрический лазер на свободных электронах. В этих лазерах, на начальном этапе развития генерации, увеличение мощности излучения происходит за счет синхронизации цугов излучения испущенных различными сгустками, а не только за счет изменения пространственного распределения частиц.

На практике в зависимости от конструкции лазера существенный вклад в формирование "затравочного" волнового поля могут вносить одновременно несколько видов излучения. При этом указать точно вклад каждого из видов в суммарное излучение не представляется возможным. Излучение свойства которого заметно отличаются от свойств порождающих его излучений можно назвать "гибридным". При определенных условиях "гибридное" излучение может обладать более подходящими характеристиками для использования его в лазере в качестве " затравочного", чем порождающие излучения. Поэтому исследование свойств таких излучений имеет не только теоретический, но и практический интерес.

В настоящее время одним из основных направлений развития физики и техники лазеров является продвижение в область ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. В лазерах на свободных электронах для этого необходимы пучки с энергией электронов в сотни и тысячи мегаэлектронвольт. Повышение энергии электронов увеличивает мощность спонтанного излучения частиц и, следовательно, влияние реакции излучения на взаимодействие частиц с волной. Естественно, что учет влияния реакции излучения на эффективность взаимодействия частиц с волной особенно необходим в тех случаях, когда действие радиационных сил соизмеримо с действием цоля внешней волны. Это имеет место, например, на начальном этапе развития генерации в ЛСЭ, когда поле волны в резонаторе имеет малую напряженность.

Сложность и специфические условия эксплуатации лазера на свободных электронах ультрафиолетового диапазона стимулируют разработку других методов генерации коротковолнового излучения, позволяющих сохранить преимущества взаимодействия свободных электронов с волной, и в то же время понизить энергию используемых электронов. Одним из таких методов является метод генерации излучения при нелинейном рассеянии свободных электронов на интенсивной электромагнитной волне. Для реализации этого метода необходимы электронные пучки с существенно меньшей энергией, однако требуется высокая мощность источника внешнего электромагнитного излучения.

Диссертация посвящена исследованию эффектов модуляции электронных потоков в лазерах на свободных электронах и влияния модуляции на генерацию индуцированного излучения. Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

В первой главе приведены результаты экспериментальных /10-14/ и теоретических /15/ исследований работы параметрического лазера на свободных электронах - лазера использующего электронные сгустки размер которых соизмерим с длиной волны генерируемого излучения. Созданы и экспериментально исследованы три модификации параметрического лазера на свободных электронах. В первом лазере начальное "затравочное" излучение испускалось пучком проходящим через ондулятор, а в качестве резонатора использовался закрытый цилиндрический резонатор /10-12/. Во втором лазере использовался поворотный магнит вместо ондулятора /13/, в третьем - открытый резонатор вместо закрытого цилиндрического резонатора /14/.

Теоретически исследована и экспериментально подтверждена возможность использования неоднородности поля электромагнитной волны в поперечном направлении для увеличения коэффициента усиления лазера. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы пучок перед попаданием в ондулятор или поворотный магнит был модулирован на частоте усиливаемой волны по поперечным координатам. Кроме того, нужно так организовать траекторию пучка, чтобы частицы отдающие энергию волне взаимодействовали с более сильными полями ( в нашем случае двигались ближе к оси резонатора ), чем частицы ускоряемые волной. Модуляция пучка происходит автоматически при инжекции частиц в резонатор, а формирование необходимой траектории обеспечивалось подбором угла инжекции и расстояния между точкой входа частицы в резонатор и ондулятором ( или поворотным магнитом). Результаты численных расчетов /16/ и экспериментов /13/, выполненных на втором лазере, качественно совпадают.

Во второй главе обсуждаются экспериментальные и теоретические исследования "гибридного" излучения, возникающего при движении в постоянном магнитном поле релятивистской частицы вылетевшей из поверхности металла /17-20/. Эксперименты выявили некоторые новые закономерности в спектрально-угловом распределении излучения, вызванные сильной интерференцией порождающих излучений - переходного излучения, испускаемого при вылете электрона из металла, и син-хротронного излучения, испускаемого частицей движущейся в поле поворотного магнита /17-19/. Получены аналитические выражения /20/ описывающие распределение излучения хорошо согласующиеся с результатами экспериментов. Исследовано спектрально-угловое распределение поля возбуждаемого релятивистской частицей, вылетевшей из металла и движущейся в последующем прямолинейно, в точке расположенной на расстоянии сравнимом с длиной формирования от поверхности металла и от траектории частицы /21/.

В третьей главе рассмотрено влияние радиационного взаимодействия частиц и реакции излучения на динамику частиц в ЛСЭ и фазовое пространство пучка /22/. Исследовано пространственное распределение радиационных сил, возникающих при движении через ондулятор одиночного сгустка, и зависимость распределения сил от геометрических размеров сгустка /23/. Рассматривались силы действующие на частицы цуга из трех сгустков, расположенных на расстоянии друг от друга равном длине волны ондуляторного излучения /24/. Показано, что продольные радиационные силы ускоряют головные и хвостовые частицы сгустка и тормозят частицы в середине сгустка. Поперечные силы фокусируют частицы задней половины сгустка и дефокусируют в передней половине сгустка. Исследования показали, что радиационные силы вызывают параметрический резонанс фазовых колебаний и увеличивают фазовую протяженность сгустка /25/. Кроме того, смещается фаза, относительно которой происходят колебания частиц.

В четвертой главе представлены результаты исследования динамики частиц электронного потока, пересекающего неоднородную электромагнитную волну /26-32/. Несмотря на то, что движение частиц в неоднородной волне исследовалось достаточно подробно, сам метод исследования этого движения (метод усреднения) не позволял рассчитать некоторые характеристики системы зарядов. Поскольку в этом методе происходит усреднение уравнений движения по периоду осцилляторного движения, результаты не зависят от фазы инжекции частицы и поэтому не описывают относительного перемещения частиц сгустка и изменение во времени пространственного распределения частиц. Проведенные исследования привели к выявлению новых эффектов в динамике частиц, связанных с неоднородностью поля волны. Обнаружена нестационарная пространственная модуляция плотности электронного потока падающего на неоднородную электромагнитную волну /26/. Численными методами и аналитически изучалось взаимодействие частиц с барьером созданным электромагнитной волной /27-30/. Выявлена полупрозрачность потенциального барьера, т.е. возможность пересечения волны частицей с энергией меньше высоты барьера и отражения частиц с энергией больше высоты барьера. Показано существование усредненной пондеромоторной силы действующей на заряженную частицу пересекающую неоднородную электромагнитную волну /31,32/. Эта сила пропорциональна четвертой степени напряженности поля волны.

В заключении сформулированы выводы диссертации, приведен список публикаций по материалам диссертации.

Каждая глава имеет короткое введение, описывающее основные предпосылки рассматриваемого вопроса, свою нумерацию формул и рисунков, список литературы.

Ниже приведены основные результаты выносимые на защиту.

1. Развита теория параметрического лазера на свободных электронах. Показано, что изменение энергии всего пучка при взаимодействии с волной, расчитанное в приближении малой интенсивности усиливаемого излучения, отлично от нуля уже в первом приближении. Величина изменения интенсивности сильно зависит от смещения максимума пространственного распределения плотности частиц относительно нулевой начальной фазы.

2. Предложен и исследован численными методами способ увеличения коэффициента усиления лазера, использующий неоднородность поля электромагнитной волны и модуляцию пучка по поперечным координатам. При численных расчетах изучалась модуляция пучка выводимого на ось ондулятора и резонатора при помощи поворотного магнита, а также модуляция пучка при его инжекции через одно из зеркал резонатора.

3. Созданы и запущены три параметрических лазера на свободных электронах, генерирующие излучение в миллиметровом диапазоне длин волн. В первом лазере на свободных электронах в качестве "затравочного" поля использовалось поле ондуляторного излучения, а резонатором являлся закрытый цилиндрическмй резонатор. Получена генерация электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 3 мм до 12 мм.

Во втором лазере в качестве источника "затравочного" поля вместо ондулятотора использовался постоянный магнит, а в третьем - открытый резонатор вместо закрытого цилиндрического резонатора. На втором лазере экспериментально исследован предложенный способ увеличения коэффициента усиления излучения. Результаты экспериментов согласуются с расчетами.

В третьем лазере использование открытого резонатора позволило снизить коротковолновую границу генерируемого излучения и получить генерацию индуцированного излучения на длине волны А= 1 мм. В лазере генерировалось излучение на длинах волн от 1 мм до 7 мм.

4. Экспериментально измерено спектрально-угловое распределение длинноволнового "гибридного" излучения релятивистских частиц, движущихся по ограниченной траектории. "Гибридное" излучение сформировано из полей переходного и синхротронного излучений. Траектория частицы содержала два прямолинейных участка. Первый - между точкой вывода пучка из тракта и магнитом, второй - между магнитом и цилиндром Фарадея, поглощающим пучок. Показано, что поле, формируемое в пространстве при таком движении, существенно отличается от полей генерируемых зарядом при движении на отдельных отрезках траектории. Получены аналитические выражения описывающие излучение частиц движущихся по такой траектории.

5. Исследовано пространственное распределение поля вблизи от траектории движения релятивистской заряженной частицы пересекающей границу металл-вакуум. Показано, что в зависимости от свойств и положения регистрирующего прибора вклад собственного поля заряда в спектрально-угловое распределение полного поля может быть существенным. Получено выражение описывающее отношение амплитуд гармоник собственного и радиационного полей.

6. Теоретически исследовано влияние сил радиационного трения на коэффициент усиления лазера на свободных электронах и на изменение конфигурации и площади фазового пространства пучка движущегося в лазере. Показано, что влияние на коэффициент усиления пропорционально мощности спонтанного излучения пучка и функции радиационного трения. Функция радиационного трения, в свою очередь, пропорциональна первой производной от функции усиления лазера или второй производной от спектральной плотности спонтанного излучения.

7. Созданы программы и выполнен численный расчет силового поля создаваемого пучком движущимся через ондулятор. Пучок моделировался последовательностью большого числа бесконечно тонких дисков. Получены пространственные распределения продольных и поперечных сил, формируемых отдельным сгустком и цугом сгустков. Исследованы зависимости распределений сил от геометрических рамеров сгустков.

8. Исследовано влияние когерентных радиационных сил на фазовое движение частиц в лазере на свободных электронах. Показано, что радиационное трение приводит к увеличению частоты фазовых колебаний, появлению вынуждающих сил, что вызывает параметрический резонанс фазовых колебаний и приводит к увеличению фазовой протяженности сгустка.

9. Численными методами исследована динамика потока частиц, пересекающих неоднородную линейно поляризованную электромагнитную волну. Показано, что в однородном потоке при его движении в волне образуется нестационарная пространственная модуляция плотности частиц.

10. Исследовано прохождение частиц через барьер созданный волной. Показано, что при определенных условиях барьер становится полупрозрачным для частиц падающих на него. Это выражается в отражении барьером некоторых частиц с энергией больше высоты барьера и прохождении через барьер некоторых частиц с энергией меньше высоты барьера. Получены условия при которых в потоке взаимодействующем с неоднородной волной сохраняется модуляция плотности после выхода частиц из волны.

11. Развита теория движение потока заряженных частиц через волну, описывающая нестационарную модуляцию плотности потока и полупрозрачность барьера. Теория хорошо согласуется с результатами численных расчетов динамики частиц.

12. Показано существование усредненной силы пропорциональной Е4, действующей на заряженные частицы, пересекающие неоднородную электромагнитную волну. Получены аналитические выражения описываюцие эту силу.

Результаты работ представленных в диссертации докладывались на Международных конференциях по лазерам на свободных электронах (15 International FEL Conference, Гаага, Голандия, 1993; 16 International FEL Conference, Брукхевен, США, 1994; 17 International FEL Conference, Нью-Йорк, США, 1995; 18 International FEL Conference, Рим, Италия, 1996) на Втором Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск, 1995), на Международных конференциях по синхротронному излучению (8 Конференция, Новосибирск, 1988; 9 Конференция, Москва, 1990; 10 Конференция, Новосибирск, 1994; И Конференция, Новосибирск, 1996), на научных семинарах Института общей физики РАН (семинар "Многофотонные процессы"), Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, Отдела физики высоких энергий ФИ АН.

ЛИТЕРАТУРА

1. L.R.Elias, W.M.Fairbank, J.M.I.Madey, G.J.Ramian, H.A.Schwettman, Т.I.Smith. Phys.Rev.Lett., v.36, p.710, 1976.

2. D.A.G.Deacon, L.R.Elias, J.M.I.Madey, G.J.Ramian, H.A.Schwettman, T.I.Smith. Phys.Rev.Lett., v.38, p.892, 1977.

3. М.В.Федоров. УФН, 135, в.2, 213, 1981.

4. Генераторы когерентного излучения на свободных электронах, под ред. А.А.Рухадзе. Мир, Москва, 1983.

5. Т.Маршалл. Лазеры на свободных электронах. Мир, Москва, 1987.

6. Nucl. Inst, and Meth., A341, 1994

7. Nucl. Inst, and Meth., A358, 1995

8. Nucl. Inst, and Meth., A375, 1996

9. Nucl. Inst, and Meth., A393, 1997

10. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. Препринт ФИАН, N339, Москва, 1987; Краткие сообщения по физике, N12, 38,1987.

11. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. ДАН, т.306, в.З, 580, 1989; Nucl. Instr. and Meth. A282, 436, 1989.

12. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. , , Дубна, 1989.

13. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике ФИАН, N12, 38, 1989; Nucl. Instr. and Meth. A308, 144, 1991.

14. А.В.Серов. Квантовая электроника, 21, 4, 303, 1994; Nucl. Instr. and

Meth., A359, 70, 1995.

15. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике, N6, 27, 1988

16. А.В.Серов. ЖТФ, 61, 6, 162, 1991; Nucí. Instr. and Meth. A308, 146, 1991.

17. Б. M. Б о лотов ский, А.В.Серов. ЖЭТФ, 102, 5(11), 1506, 1992.

18. Б.М.Болотовский, А.В.Серов. ЖЭТФ, т.105, в.1, 43, 1994.

19. A.V.Serov, B.M.Bolotovskii. Nucl. Instr. and Meth. A 359, 76, 1995.

20. А.В.Серов. ЖТФ, 63, 9, 139, 1993

21. А.В.Серов, Б.М.Болотовский. ЖТФ, 67, 9, 89, 1997.

22. А.В.Серов. ЖЭТФ, 105, 3, 494, 1994; Nucl. Instr. and Meth. A 341, ABS 68, 1994.

23. A.N.Lebedev, A.V.Serov. Nucl. Instr. and Meth., A393, 11-85, 1997.

24. A.N.Lebedev, A.V.Serov. Laser Physics, 6, 4, 660, 1996.

25. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике, 5-6, 7, 1992.

26. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике, N1-2, 31, 1994.

27. A.V.Serov. Laser Physics, 5, 5, , 1995; Nucl. Inst, and Meth., A375, ABS 59, 1996.

28. А.В.Кольцов, А.В.Серов. Квантовая электроника, 22, 3, 258, 1995.

29. A.V.Koltsov, A.V.Serov. Laser Physics, 6, 4, 664, 1996.

30. A.V.Koltsov, A.V.Serov. Nucl. Inst, and Meth., A358, 444, 1995.

31. A.V.Serov. Laser Physics, 7, 1997.

32. А.В.Серов. Квантовая электроника, 25, 3, , 1998.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Серов, Александр Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развита теория параметрического лазера на свободных электронах. Показано, что изменение энергии всего пучка при взаимодействии с волной, расчитанное в приближении малой интенсивности усиливаемого излучения, отлично от нуля уже в первом приближении. Величина изменения интенсивности сильно зависит от смещения максимума пространственного распределения плотности частиц относительно нулевой начальной фазы.

Созданы и запущены три параметрических лазера на свободных электронах генерирующие излучение в миллиметровом диапазоне длин волн. Использование микротрона в качестве источника релятивистских электронов позволило иметь сгустки с достаточно высокой степенью моно-энергетичности и сравнительно малыми геометрическими размерами. Такие пучки при прохождении сквозь зеркало резонатора, через поворотный магнит и ондулятор формировали спонтанное излучение в котором заметную долю имела когерентная составляющая излучения.

В первом лазере на свободных электронах в качестве " затравочного" поля использовалось поле ондуляторного излучения. Получена генерация электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 3 мм до 12 мм.

Предложен и исследован численными методами способ увеличения коэффициента усиления лазера использующий неоднородность поля электромагнитной волны и модуляцию пучка по поперечным координатам. При численных расчетах изучалась модуляция пучка выводимого на ось ондулятора и резонатора при помощи поворотного магнита, а также модуляция пучка при его инжекции через одно из зеркал резонатора. В экспериментах использовался второй способ инжекции в резонатор, т.е. частицы попадали в резонатор пройдя через зеркало. Результаты расчетов согласуются с экспериментами, выполненными на параметрическом лазере на свободных электронах, в котором использовался поворотный магнит вместо ондулятора.

Создан и запущен параметрический лазер использовавший открытый резонатор вместо закрытого цилиндрического резонатора. В этой установке в качестве "затравочного" поля использовалось поле "гибридного" излучения сформированного из полей переходного и синхротронно-го излучений. Использование открытого резонатора позволило снизить коротковолновую границу генерируемого излучения и получить генерацию индуцированного излучения на длине волны А= 1 мм. Мощность выведенного излучения составляла ~ 1 Вт, что более чем на два порядка выше мощности полученной в других экспериментах по возбуждению коротковолнового излучения в открытых резонаторах релятивистскими электронными пучками с близкими параметрами. В лазере генерировалось излучение на длинах волн от 1 мм до 7 мм.

Сравнение показывает, что мощность генерируемого излучения максимальна в первом лазере использующем ондулятор 100 Вт). Максимальна и протяженность цуга электромагнитного излучения 70 мм). Цуги излучения следуют с периодом 100 мм. В том случае когда используется поворотный магнит вместо ондулятора (второй и третий лазеры) длина цугов излучения приблизительно равна длине электронных сгустков (8 мм - 10 мм). Поэтому импульсная мощность (мощность в цуге излучения) на длине волны 4 мм в лазере с ондулятором выше в 5 - 6 раз, в то время как средняя мощность ( мощность по всем цугам ) выше в 30 раз. Но малая протяженность цуга электромагнитного излучения в некоторых экспериментах может быть предпочтительней высокой мощности излучения.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Серов, Александр Васильевич, 1997 год

1. L.R.Elias, W.M.Fairbank, J.M.J.Madey, H.A.Schwettman, Т.1.Smith. Phys.Rev.Lett., v.36, 717, 1976.

2. D.A.G.Deacon, L.R.Elias, J.M.J.Madey, C.J.Raman, H.A.Schwettman, T.I.Smith. Phys.Rev.Lett., v.38, 892, 1977.

3. Д.Ф.Алферов, Е.Г.Бессонов. Препринт ФИАН N162, М., 1977; ЖТФ, 49, 777, 1979.

4. А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев. Квантовая электроника, 5, 1543, 1978.

5. А.А.Варфоломеев. Лазеры на свободных электронах и перспективы их развития. Изд-во ИАЭ, Москва, 1980.

6. Т. Маршал. Лазеры на свободных электронах. Мир, Москва, 1987.

7. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. Препринт ФИАН, N339, Москва, 1987; Краткие сообщения по физике, N12, 38,1987.

8. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. ДАН, т.306, в.З, 580, 1989; Nucí. Instr. and Meth. A282, 436, 1989.

9. В.И.Алексеев, Е.В.Алиева, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. , , Дубна, 1989.

10. А.В.Серов. Труды ФИАН, т. 214, 95-140, 1982.

11. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике, 1988, N6, 27.

12. А.Д.Алферов, Ю.А.Башмаков, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов, П.А.Черенков. ЖТФ, 1983, т.53, 2, 270.

13. К.А.Беловинцев, А,В,Серов. Краткие сообщения по физике, 1979, N3, 12.

14. К.А.Беловинцев, С.В.Левонян, А,В,Серов. Препринт ФИАН, N172,

15. Москва, 1979; ЖТФ, 1981, т.51, в.4, 752.

16. С.В.Левонян, А,В,Серов. Краткие сообщения по физике, 1987, N10, 38.

17. В.И.Алексеев, К.А.Беловинцев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов. Краткие сообщения по физике, N4, 30, 1984.

18. В.И.Алексеев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов. Препринт ФИАН, N29, Москва, 1988; Квантовая электроника, 1989, т.16, 12, 2530.

19. В.И.Алексеев, Е.Г.Бессонов, А.В.Серов. Препринт ФИАН, N6, Москва, 1988; Краткие сообщения по физике, 1988, N2, 13.

20. Н.А.Винокуров, А.Н.Скринский. Препринт ИЯФ, 77-59, Новосибирск, 1977.

21. А.В.Серов. ЖТФ, 61, 6, 162, 1991; Nucí. Instr. and Meth. A308, 146, 1991.

22. А.В.Серов. Краткие сообщения по физике ФИАН, N12, 38, 1989; Nucl. Instr. and Meth. A308, 144, 1991.

23. F.Ciocci, et. al. Nucl. Instr. Meth. A331, ABS.11-13 (1993)

24. M.Asakava, et. al. Proc. 15-th Int. FEL Conf., Hague, Netherland, (1993)

25. E.Brannen, V.Sells, H.R.Froelich. Proc. IEEE, 55, 5, 717, 1967.

26. В.М.Черненко. Электроника больших мощностей, сб.6, 135, Наука, М., 1969.

27. Л.А.Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы. Сов.радио, М., 1966.

28. А.В.Серов. Квантовая электроника, 21, 4, 303, 1994; Nucl. Instr. and Meth, A359, 70, 1995.

29. Б. M. Б о лотовский, А.В.Серов. ЖЭТФ, 102, 5(11), 1506 (1992)

30. А.В.Серов. ЖТФ, 63, 9, 186 (1993)1. ГЛАВА 2.

31. ИЗЛУЧЕНИЕ ЗАРЯДА ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ ПО КОНЕЧНОЙ ТРАЕКТОРИИ1. ВВЕДЕНИЕ

32. В настоящей главе будет рассматрено влияние собственного поля заряда на спектрально-угловые характеристики поля генерируемого релятивистской заряженной частицей вылетевшей из металла.

33. НИЗКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ, ДВИЖУЩИХСЯ ПО ДУГЕ ОКРУЖНОСТИ.

34. Рис.2.1. Схема экспериментальной установки 1 фланец тракта, 2 - поворотный магнит, 3 - цилиндр Фарадея, 4 - детектор излучения.

35. Схема экспериментальной установки приведена на рис.2.1.4электромагнитное излучение, расположена в воздухе между фольгой, через которую проходит пучок, и цилиндром Фарадея. Эта часть орбиты изображена на рис.1 пунктиром.

36. Экспериментальные результаты

37. Рис.2.2. Горизонтально-угловые распределения интенсивности компонент а(а) и 7г(б) поляризации излучения а) 0=0, А=12мм (1), А=7мм (2); б) в=0.2, А=12мм

38. РАСЧЕТ СПЕКТРАЛЬНО-УГЛОВЫХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ, ДВИЖУЩИХСЯ ПО ДУГЕ ОКРУЖНОСТИ

39. А, = / ±-£-ехр гш{г--^)

40. Рис.2.5. Геометрия задачи Точки: старта частицы-5, попадания в магнит-п, выхода из магнита-финиша-/.

41. Векторная часть в подынтегральном выражении представляет собой полный дифференциал /17/

42. Интегрирование по частям приводит к следующему выражению для спектральной компоненты векторного потенциала

43. Выражение (2.3) описывает распределение излучения генерируемого частицей при повороте в магните, причем частица инжектируется в магнит из точки бесконечно далеко удаленной от магнита и уходит на бесконечность после поворота.

44. Если точки старта 5 и финиша / частицы совпадают, соответственно, с точками входа в магнит п и выхода из него к то соотношение (2.6) упрощается и будет иметь вид:1. А.-IUJп х п х /3.] exp iu)(t —nr (tdt.2.7;1. Лп ' ' ' " С

45. С учетом этого соотношения легко получить выражения для и- и компонент вектор-потенциала поля излучения /7/. Перейдем к новой независимой переменной углу поворота р = где си0 = у/г-частотасвращения частицы в магнитном поле. Тогда имеем :

46. Аш,, (2.10)1. Jftpkcos p> expin(p — (3cos9smp).dp>, (2-11)fnгде n — urfv номер гармоники излучения, равный отношению частоты излучения к частоте вращения электрона.

47. Рис.2.6. Горизонтально-угловые распределения сг-компоненты векторного потенциала поля излучения Аа. Кривая численное интегрирование выражений (2.10,2.11), точки -расчет по формулам (2.13).

48. Ашсг = В(£а{(

49. К* = фрп + (Др/г))*-1 (у>» - (Д^/2))2,'1.+ (2.13)1

50. На рис.2.8 сплошной кривой показаны результаты расчетов углового распределения

51. Рис.2.8. Угловые распределения интенсивности сг-компоненты поляризации излучения, а) численное интегрирование выражения (10) б) численный расчет с учетом векторного А и скалярного ср потенциалов.

52. А=12мм, Ь = 25мм, + экспериментальные результаты.

53. В следующем параграфе рассмотрен другой случай возбуждения электромагнитного поля заряженной частицей. Для его описания также необходимо учитывать специфические особенности полей генерируемых движущимся зарядом на различных отрезках траектории.

54. ОБ ИЗМЕРЕНИИ ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАССТОЯНИЯХ ОТ ТОЧКИ ПЕРЕХОДА СРАВНИМЫХ С1. ДЛИНОЙ ФОРМИРОВАНИЯ

55. Если измеряется поле генерируемое частицей вылетевшей из металла (рис.2.96), то на приемник вначале попадает радиационное поле, а затем собственное поле частицы. Задержка при этом равна2.15)

56. Рис.2.9 Генерация переходного излучения зарядом падающим на металл (а) и вылетающим из метелла (б).1. МеталлV