Модуляция электронного пучка лазера на свободных электронах в поле внешнего лазерного излучения

• Автор: Лигидов, Азамат Заурович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ: ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ДО

ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Основные принципы устройства и конструкции ускорителей

1.2. Особенности излучения релятивистского электрона в электромагнитом поле

1.3. SASE: однопроходный режим увеличения интенсивности излучения ЛСЭ

1.4. Лазеры на свободных электронах и установка SPARC

1.5. Эксперименты, реализуемые в лаборатории SPARC_LAB

1.5.1. Микрогруппировка электронного пучка в прикатодной области (COMB)

1.5.2. Получение ТГц излучения для разных состояний электронного пучка (TERASPARC)

1.5.3. Формирование электронных микросгустков перед ондуляторной системой (SEEDING).
1.5.4. Исследование движения ультрарелятивистского электрона в свсрхсильном
электромагнитном поле (THOMSON)
1.5.5. Создание мощной лазерной установки для исследования Томсоновского рассеяния
оптических фотонов энергичных электронов (PLASMONX)
1.5.6. Изучение особенностей динамики электронного пучка при каналировании (POSSO)
ГЛАВА 2. МОДУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА SPARC В ПОЛЕ ВНЕШНЕГО ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. Формирование микросгустков электронных пучков лазером в прикатодной области
инжектора SPARC
2.2. Взаимодействие лазера и электронного пучка высокой яркости в прикатодной области
инжектора
2.3. Результаты моделирования техники «laser comb» для различных параметров электронного
пучка
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОПУЧКОВ ПЕРЕД ОНДУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ В
ЭКСПЕРИМЕНТЕ SEEDING SPARC
3.1. Технические особенности и характеристики системы для эксперимента Seeding
3.2. Самоусиление спонтанного излучения в однопроходном режиме SASE ЛСЭ
3.3. Генерация ультракоротких импульсов лазерного излучения на ЛСЭ в режиме SASE, при
«конической» геометрии ондулятора
3.4. Гснсрация гармоник высших порядков в ЛСЭ, на гармониках затравочного лазера
генерируемых в газе
3.5. Генерация гармоник высших порядков и сверхизлучательный режим в каскадных ЛСЭ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Со времен первых работ по исследованию явлений, связанных с электромагнетизмом, прошло около двух столетий. В настоящее время можно смело утверждать, что человечество научилось использовать в своей повседневной жизни электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн. Сейчас невозможно представить мир без новых технических средств, которые стали неотъемлемой частью нашей действительности. В повседневной жизни это радио, телевидение, сотовые телефоны, микроволновые печи; нельзя не отметить, что в медицине и биологии широко используется излучение разного рода, как для диагностики, так и для терапии различных заболеваний (спектр излучения варьируется от акустических до рентгеновских и гамма частот). С другой стороны, каждый раз освоение нового спектрального диапазона, появление новых источников излучения приводило к новому пониманию окружающего нас мира, что является подтверждением взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований [1].
Особо в этом спектре исследований надо выделить на сегодняшний день новые возможности, которые перед наукой открывают мощные источники электромагнитного излучения, которыми являются синхротронные источники (синхротронное излучение - СИ) и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). При этом несомненное первенство по достижимым параметрам принадлежит ЛСЭ источникам, что и способствовало углублению исследований, направленных на строительство таких установок.
В чем же заключается достоинство ЛСЭ? Идея ЛСЭ исторически уходит в середину прошлого столетия, теоретические основы были заложены еще тогда, однако, методы реализации этой красивой идеи требовали развитие новых технологий. Последнее и обусловило столь запоздалый практический интерес к установкам ЛСЭ. Сегодня физическая наука располагает рядом новых подходов, подкрепленных как теоретическими исследованиями, так и экспериментальными результатами, что предопределяет некий прорыв
в данной области физики и техники. В принципе, ЛСЭ позволяют получать

монохроматическое излучение на любой заданной длине волны (от 1 мм до 0,1 нм для проектируемых установок). Понятно, что разница в длине волны излучения в семь порядков требует и совершенно разных технических подходов и решений к, казалось бы, одному и тому же явлению. Средняя мощность излучения может быть порядка 100 кВт и выше при стабильных параметрах источника. Принципиальным объяснением этого служит тот факт, что в ЛСЭ отсутствует твердотельная или газовая среда (лазерная среда), которая ограничена эффективным временем работы и имеет обыкновение портиться при повышении мощности - она нагревается, появляются градиенты плотности [2]. Рабочим же телом ЛСЭ являются релятивистские электроны, движущиеся в знакопеременном магнитном поле ондулятора.
В основе работы классического ЛСЭ лежит явление вынужденного он-дуляторного излучения, под действием световой волны в резонаторе [1]. Ондулятор - это магнитная система, создающая пространственно-периодическое знакопеременное поперечное магнитное поле. В таком поле релятивистские электроны движутся по слабоизогнутой синусоидальной, либо спиральной траектории; на прямолинейное движение релятивистской частицы «накладывается» быстро осциллирующее поперечное, которое определяется размерами и геометрией поля в ондуляторе.
Для обеспечения работы ЛСЭ необходимо соблюдение условия синхронизма движения электронов и электромагнитной волны вдоль ондулятора. Для этого нужно, чтобы на каждом периоде ондулятора электроны отставали от электромагнитной волны ровно на одну длину волны. Благодаря этому, в зависимости от фазы влёта электронов, одна их половина увеличивает свою энергию, а вторая уменьшает. Этот процесс приводит к модуляции энергии электронов вдоль микросгустка с периодом электромагнитной волны, затем модуляция энергии за счёт зависимости скорости электронов от энергии переходит в модуляцию плотности [1-4]. Такой эффект требует очень высокого качества пучка по его пространственно-угловым характеристикам, но в результате получения микросгустков с характерными размерами
после субгармонического резонатора кулоновские силы расталкивания увеличиваются, то необходимо возрастание магнитного поля, в котором движется пучок. Такое увеличение поля формируется с помощью колец с током, расположенных правильным образом. Кроме этого, пока пучок движется в первой ускоряющей структуре, он все время находиться в соленоидальном магнитном поле.
В высокочастотной системе линейного ускорителя в качестве источника СВЧ мощности используется клистрон [47, 67]. Средняя мощность клистрона составляет 10 кВт, что при длительности импульса 4 мкс дает частоту повторений 50 Гц. Вид модулятора и клистрона приведен на (рис. 10).
Рис. 10: Внешний вид клистрона (слева) и модулятор импульсов
Данный модулятор (рис. 10) обеспечивает правильную работу клистрона и включает в себя устройства: высоковольтное зарядное устройство, формирующую линию, твердотельные высоковольтные ключи, импульсный высоковольтный трансформатор, питание накала клистрона, систему управления, диагностики и блокировок.
На рис. 11 мы видим систему умножения мощности SLED на инжекторе установки SPARC. В табл. 2 показаны основные параметры системы умножения мощности.
Таблица
Диаметр резонаторов, О 196 мм
Высота резонаторов, Н 346,6 мм
Рабочая частота,/> 2856 МГц
Диапазон перестройки, ДДД/7ДИ) ±5 МГц (2.75 МГц/мм)