Исследование динамики электронных пучков и излучения в системах с ондуляторами

Современный уровень научных исследований в различных областях физики и смежных наук в значительной степени определяется успехами в создании эффективных источников электромагнитного излучения. Новые задачи предъявляют все более высокие требования к характеристикам источников: энергии фотонов, монохроматичности, степени поляризации, интенсивности и когерентности излучения. В связи с этим понятен тот исключительный интерес, который в последнее время проявляется к источникам индуцированного ондуляторного излучения, называемым лазерами на свободных электронах ЛСЭ / 1−3 /. Такой интерес определяется в первую очередь тем, что лазеры на свободных электронах открывают перспективы получения мощного когерентного излучения с плавно перестраиваемой частотой в широком диапазоне длин волн от микроволнового до ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов. Перспективными будут системы с циркулирующим пучком, в которых электроны отдают часть своей энергии на излучение при прохождении через ЛСЭ и восполняют эти потери при движении на других участках замкнутой траектории / 1,27 /.

ЛСЭ представляют собой не просто альтернативу обычным лазерам, но благодаря сочетанию таких важных свойств как большая мощность, перестраиваемость, широкий диапазон рабочих частот и ряду других, создают основу для существенного расширения, а в ряде случаев и появления новых областей использования излучения как в науке, так и в технике. Исследования показывают, что в ЛСЭ принципиально возможно преобразование энергии электронов в энергию излучения с эффективностью, превосходящей эффективность традиционных лазеров. Это открывает новые возможности применения ЛСЭ при решении прикладных задач, таких как передача энергии на большие расстояния, ~ создание установок по лазерному разделению изотопов и т. п.

С тех пор, как возможность усиления и генерации излучения в этих установках была впервые продемонстрирована экспериментально /4,5 /, интерес к ним резко возрос. Непрерывно расширяется число лабораторий, в которых проводятся исследования процессов в ЛСЭ / 3,6 /. В различных научных центрах проектируются специальные ускорители для крупных установок ЛСЭ / 7,8 /. В настоящее время действующие установки имеются в Стэнфорде и Орсе, создаются ЛСЭ в Новосибирске и Фраскати. Проекты лазеров на свободных электронах имеются не только в научных центрах, но и в крупных промышленных лабораториях таких как Bell Те Не ph. L <*(!>.

В этой связи очевиден интерес как к работам посвященным детальному изучению физики процессов происходящих в лазерах на свободных электронах, так и к работам по оптимизации характеристик ЛСЭ, расширению диапазона частот генерируемого излучения, использованию различных типов ускорителей в ЛСЭ, и т. д.

В лазерах на свободных электронах излучение генерируется при прохождении цучка электронов через пространственно-периодическое поле ондулятора. Впервые предложение использовать релятивистские частицы и периодические электромагнитные поля для генерации микроволнового излучения было высказано В. Л. Гинзбургом еще в 1947 г. / 9 /. Впоследствии спонтанное излучение электронов в ондуляторе широко исследовалось теоретически и экспериментально. Результаты этих исследований обобщены в обзорной статье / 10 / и в монографиях / 11,12 /. Вынужденное ондуляторное излучение возникает в том случае, когда параллельно электронному пучку вдоль оси ондулятора распространяется внешняя электромагнитная волна. По мере преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение, происходит торможение электронов и нарастание энергии электромаг.

— б нитной волны, что приводит к изменению расстройки между энергией электронов и равновесной энергией и к уменьшению эффективности преобразования. Задачу повышения эффективности преобразования энергии пучка в излучение решают, используя ондуляторы, параметры которых изменяются вдоль направления движения электронов. Эксперименты показали / 3,25 /, что эффективность в этом случае может быть повышена на порядок, а как предсказывает теория, более полный и последовательный учет всех факторов позволит поднять эффективность до 20−40%.

Из теории ЛСЭ следует, что форма спектра и интенсивность спонтанного ондуляторного излучения определяет принципиальную возможность индуцированного процесса и эффективность работы лазера. Поскольку характеристики спонтанного ондуляторного излучения зависят как от параметров ондулятора, так и от параметров электронного цучка, то задача получения электронных цучков высокой плотности, с высокой степенью монохроматичности и малым эмиттан-сом является одной из основных при создании лазеров. В связи с этим большой практический интерес представляют работы по исследованию параметров релятивистских пучков и поиску цутей их улучшения.

Однако создание электронных потоков с высокими рабочими характеристиками является достаточно сложной задачей. Поэтому другой подход к проблеме усовершенствования лазеров на свободных электронах состоит в разработке таких схем, в которых удается снизить требования к параметрам электронного цучка. Успехи в этом направлении позволили бы широко использовать в качестве источников электронов в ЛСЭ более простые и более доступные ускорители. При решении этой задачи возникает необходимость в разработке специализированных конструкций ондуляторов, при пролете через которые электро- ~ нов спонтанное ондуляторное изучение обладает заданными характеристиками.

Настоящая диссертация посвящена исследованию излучения и динамики частиц в системах использующих ондуляторы и формированию пучков для таких систем.

В первой главе диссертации рассмотрена динамика частиц в лазерах на свободных электронах и в ондуляторных линейных ускорителях. Исследовано движение частиц в том случае, когда-либо параметры ондулятора, либо параметры волны изменяются вдоль направления движения частиц. Предложено использовать ондуляторы с переменными параметрами вдоль оси которых распространяется электромагнитная волна с постоянными параметрами, или ондулятор с постоянными параметрами, в котором распространяется волна с возрастающей напряженностью поля, для группировки частиц. Было показано, что подбором соответствующих законов изменения параметров ондулятора и волны можно добиться такого режима работы, при котором все частицы цучка с достаточно широким энергетическим спектром захватываются в область устойчивых фазовых колебаний и группируются в сгустки с малой фазовой протяженностью.

Рассмотрена возможность ускорения тяжелых заряженных частиц в ондуляторном линейном ускорителе.

Во второй главе подучены уравнения, описывающие динамику частиц в ондуляторе, учитывающие изменение поля волны и ондулятора в поперечном направлении. Учет неоднородности поля волны приводит к появлению дополнительных усредненных сил, влияющих на движение частиц, и к появлению новых членов в уравнениях, описывающих это движение. Показано, что фазовое уравнение при этом сводится к уравнению, описывающему движение маятника с колеблющейся точкой подвеса.

Полученные уравнения позволяют исследовать несовпадения осей ондулятора и электромагнитного луча на динамику частиц, В результате появляется возможность оценить доцуски на точность установки ондулятора и резонатора друг относительно друга, и на точность проводки цучка через ондулятор.

Показано, что неоднородности полей приводят к зависимости средних потерь энергии цучка от амплитуды, частоты и фазы поперечных колебаний, а так же от соотношения мевду геометрическими параметрами ондулятора и электромагнитного луча.

Рассмотрен новый режим работы лазера на свободных электронах, при котором во время инжекции в ондулятор либо поперечная координата оси пучка, либо поперечная скорость частиц цучка модулируются с частотой волны. Показано, что подбирая условия модуляции, можно увеличить средние потери энергии пучка на излучение.

В третьей главе исследуется динамика частиц в микротроне. Экспериментально исследована зависимость параметров выведенного цучка от режимов работы микротрона и от ускоренного тока. Выработаны требования на стабильность амплитуды высоковольтного имцуль-са возбуждения магнетрона. Экспериментально исследована зависимость коэффициента захвата электронов в режим ускорения микротрона от величины ускоренного тока, которая хорошо совпадает с зависимостью, полученной на основе численных расчетов динамики частиц, проведенных с учетом наведенной моды. Изучено возбуждение ускоренным током в резонаторе микротрона паразитной моды.

Показано, что при определенных условиях ускоренные электроны могут наводить в резонаторе микротрона паразитную моду Eqjj. Амплитуда наведенной моды может достигать величины, при которой ее влияние на динамику частиц будет существенным. Исследовано влияние паразитной моды на величину коэффициента захвата электронов в режим ускорения и на параметры ускоренного пучка. Показано, что при тех значениях амплитуды наведенной моды, которая может быть получена в резонаторе при ускорении токов 30−60 ма в микротроне с числом орбит 10−15, коэффициент захвата увеличивается в 1,5−2 раза, а фазовая протяженность сгустков уменьшается приблизительно в 2 раза.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию обратной задачи теории излучения, когда по заданным в точке наблюдения характеристикам излучения определяется пространственное распределение внешнего магнитного поля, в котором релятивистская частица испускает это излучение. Рассмотрено решение этой задачи в диполь-ном приближении. Дано решение задачи для двух частных случаев, представляющих практический интерес. В первом случае найдено пространственное распределение магнитного поля, при движении через которое частица в направлении движения испускает излучение, обладающее прямоугольной формой спектра. Такие спектры представляют интерес при создании лазеров на свободных электронах / 17 /. Во втором случае найдено распределение магнитного поля, излучение из которого релятивистской частицы обладает тем свойством, что его интенсивность на заданной длине волны не зависит, начиная с некоторой энергии, от энергии частицы. Необходимость в таком излучении возникает при создании ондуляторов для систем оптической индикации пучков заряженных частиц.

В пятой главе диссертации развивается теория ударного ускорения заряженных частиц. Исследовано движение частиц и динамика параметров сгустка при ударном методе ускорения. Выработаны требования на ускоряющее поле, необходимое при данном методе. Рассмотрены схемы, позволяющие реализовать ударный метод ускорения. Показано, что этот метод может быть реализован в некоторых типах уже существующих ускорителей при специальных режимах их работы. Разработана новая ускоряющая структура, в которой возможно ускорение частиц ударным методом. Теоретически обоснована возможность получения в этой структуре ускоряющих полей. Дано описание конструкции ускорителя и приведены результаты экспериментального исследования по ускорению в нем электронов.

Результаты исследования ударного метода ускорения могут использоваться при создании сильноточных электронных и ионных пучков, что откроет новые возможности в создании мощных ЛСЭ и в ре.

— 148 шении проблемы лазерного и ионного термоядерного синтеза.

Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах / 30,40,45,46,48,49,55,58,60,63−67,76,77,81,85 / и доложены на Всесоюзных совещаниях и конференциях по ускорителям заряженных частиц (Томск 1975 г., Протвино 1982 г.), на Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (Москва 1982 г.), на Всесоюзных семинарах по релятивистской высокочастотной электронике (Горький 1983 г., Москва 1984 г.), на Симпозиуме по коллективным методам ускорения (Дубна 1976 г.), на Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения (Новосибирск 1982 г.).

В заключении автор считает своим приятным долгом выразить благодарность заведующему сектором кандидату физико-математических наук К. А. Беловинцеву и кандидату физико-математических наук Б. Г. Бессонову за руководство работой, постоянное внимание, поддержу и помощь.

Хочется выразить благодарность В. Г. Куракину и С. В. Левоняну за плодотворное сотрудничество.

Пользуюсь случаем поблагодарить Г. Г. Субботина и групцу эксплуатации синхротрона «Пахра» за помощь в подготовке и проведении экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации исследованы излучение и динамика частиц в системах, использующих ондуляторы. Рассмотрено формирование электронных пучков для таких систем.