Управление параметрами лазерных драйверов для фотоинжекторов ускорителей электронов

• Автор: Гачева, Екатерина Игоревна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 104 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Обзор лазерных драйверов для фотоинжекторов и использующихся в них методов профилирования излучения
1.1. Электронные пучки высокой яркости, их создание и приложения
1.2. Профилирование макроимпульса лазерного драйвера
1.3. Профилирование микроимпульса лазерного драйвера
1.3.1. Профилирование во временной области
1.3.2. Профилирование в поперечных пространственных координатах
1.3.3. Трехмерное профилирование
2. Лазерный драйвер для фото инжектора с гауссовым импульсом
2.1. Особенности лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом
2.1.1. Общие требования к фотоинжекторным лазерам
2.1.2. Схема лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом
2.1.3. Лазерные системы, реализованные на практике
2.2. Стержневой ИсРУГГ усилитель макроимпульсов с прямоугольной огибающей
2.2.1. Идея усиления прямоугольных макроимпульсов
2.2.2. Моделирование работы усилителя лазерного драйвера для ОПЯИ
2.2.3. Тестирование усилителя
2.3. Генерация гармоник лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом
2.3.1. Генерация второй гармоники
2.3.2. Генерация четвертой гармоники в присутствие короткоживущих центров поглощения
2.4. Долговременная стабильность лазерного драйвера
2.4.1. Нестабильность поляризации излучения волоконного лазера
2.4.2. Временной ресурс ламп накачки оконечного усилителя
3. Лазерный драйвер для фотоинжектора с ЗБ профилированием пространственно-временной формы импульса
3.1. Особенности лазерной системы с ЗБ эллипсоидальной формой импульса
3.1.1. Принципиальные решения для элементов схемы лазерного драйвера
3.1.2. Схема лазерного драйвера
3.1.3. Лазерный драйвер для фотоинжектора электронов с возможностью ЗБ профилирования пространственно-временной формы импульса для ускорительного центра БП8У
3.2. Искажения квазиэллипсоидального ЗБ лазерного пучка при распространении в свободном пространстве
3.2.1. Дифракция ЗБ пучков
3.2.2. Количественные параметры искажения ЗБ пучков
3.2.3. Результаты численного моделирования
3.3. Многопроходный широкополосный дисковый УЬ:КОУ усилитель ЗБ эллипсоидальных импульсов
3.3.1. Оптическая схема усилителя
3.3.2. Усиление прямоугольных макроимпульсов. Препампинг
3.3.3. Лазерное усиление в кристалле УЬ:КОУ. Модель квазичетырехуровневой активной среды
3.3.4. Тестирование и характеризация многопроходного широкополосного усилителя на кристаллах УЬ:КГЗ¥
3.4. Преобразование в гармоники широкополосных ЗБ эллипсоидальных импульсов
3.4.1. Постановка задачи о преобразовании в гармоники широкополосного излучения
3.4.2. Физическая модель генерации второй гармоники в пучках с угловым чирпом
3.4.3. Результаты численного моделирования
3.4.4. Экспериментальные исследования генерации второй и четвертой гармоник в присутствии углового чирпа
3.5. Сканирующий кросс-коррелятор для ЗБ мониторинга лазерных пучков
3.5.1. Принцип работы сканирующего кросс-коррелятора
3.5.2. Скоростная линия задержки диагностического канала
3.5.3. Генерация неколлинеарной второй гармоники в нелинейном кристалле кросскоррелятора
3.5.4. Тестирование кросс-коррелятора
Заключение
Список цитируемой литературы
Публикации автора по теме диссертации

Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования
Фотоинжектор с лазерным драйвером на настоящем этапе развития линейных ускорителей электронов выступает незаменимой альтернативой традиционным термоэмиссионным инжекторам. Благодаря фотоинжектору можно получить электронные пучки, профилированные во времени в виде цугов одинаковых коротких банчей (электронных сгустков), с хорошей точностью синхронизованных с высокочастотным (ВЧ) ускоряющем полем. Техника профилирования (шейпинга) лазерных импульсов во времени и пространстве значительно опережает технику профилирования электронных банчей непосредственно. Отсюда следует естественное решение облучить подходящий катод шейпированным лазерным импульсом и тем самым добиться необходимой формы банча автоматически. Электронный пучок, обладающий описанными выше свойствами, имеет яркость на два порядка большую по сравнению с тем, который можно получить с традиционного термоэмиссионного катода, он эффективнее ускоряется и позволяет добиться рекордных параметров в разных типах приложений.
Ускоренный электронный пучок может использоваться, например, в коллайдере. Лазерные драйверы для фотоинжекторов, описанные в главе 2 настоящей работы, были созданы в рамках проекта международного линейного (электрон-позитронного) коллайдера ILC (International Linear Collider). Два линейных ускорителя, каждый длиной 12 км, на первом этапе будут разгонять встречные пучки до энергии 500 ГэВ. Окончание строительства установки (в Японии) ожидается к середине 2020-х гг. Значимость этого проекта для развития физики элементарных частиц, изучения строения материи и пространства трудно переоценить. Кроме того, в презентации ILC акцентируются многочисленные попутные приложения (от медицины до скоростных вычислений), которые могут преуспеть за счет прогресса технологий, необходимых для осуществления основной программы.
Ещё одна быстро развивающаяся в наши дни область применения электронных пучков с высокой яркостью - лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В них профилированный ускоренный пучок, попадая в ондулятор, излучает направленное когерентное рентгеновское излучение с высокой пиковой мощностью. Экспериментальной основой главы 3 послужила лазерная система, спроектированная и построенная в нашем институте для ЛСЭ European XFEL (X-ray Free Electron Laser). Проект European XFEL объединяет усилия 12 стран, установка длиной 3,4 км будет расположена на территории Германии, уже в 2017 году планируется открыть её для внешних пользователей. При помощи этого инструмента станет возможным

инвертированной среды. К находится экспериментально для двух каскадов усиления: £[=0,0113; *2=0,0119.
Накачка каждого каскада производится парой импульсных трубчатых ксеноновых ламп, включённых последовательно в 1_-С колебательный контур. Размер разрядного промежутка ламп 05x75 мм. Именно длину разрядного промежутка мы считаем эффективной длиной активного элемента, так как усиление в неосвещенных накачкой областях отсутствует. Для усиления длинного и„шсго=т) мкс) макроимпульса моменты запуска разрядов ламп в двух каскадах сдвинуты друг относительно друга на 510 мкс. Подача первого микроимпульса на усилитель задержана относительно старта первого каскада на 474 мкс. Параметры Ь-С контуров и напряжения заряда конденсаторов подобраны таким образом (табл. 2.2), чтобы временная зависимость коэффициента усиления на длительности макроимпульса имела двугорбый симметричный профиль.
Li=683 мкГн 7,2=965 мкГн
Ci=100 мкФ Сг~125 мкФ
Го1=1475 В Ро2= 1114В
Табл. 2.2. Параметры L-C контуров накачки и напряжения заряда конденсаторов.
Мощность накачки P(t) в дифференциальном уравнении (2.6) представляет собой решение уравнения колебательного контура:
?ll + m + ±q==0 (2.8)
dt2 L dt LC V ’
с нелинейным сопротивлением R = K0/y/7j + R0, которое складывается из сопротивления лампы, работающей в квазистационарном критическом режиме KQ/*J7{ [45] (АГо=1,27//с/ В-А"|/2 -ламповый импеданс, I, d — длина и диаметр разрядного промежутка, q - ток), и небольшого (R0 «К0/yjqmax~-£ Ом для обоих контуров) омического сопротивления (проводов, индуктивности, контактов) 7?о~20 мОм. В начальный момент времени конденсатор заряжен (q(t=0)=qo=CVo), ток в цепи не течет, потом цепь замыкают.
В цикле, чередующем два описанных выше решения (усиление короткого микроимпульса без учета накачки и спонтанного излучения и медленное накопление инверсии между микроимпульсами), моделируется усиление целого макроимпульса. Решается однопроходная задача. Результаты численного моделирования представлены на рис. 2.6 (сплошные линии). Для сравнения на том же графике точками обозначены экспериментальные значения коэффициента усиления микроимпульсов при частоте повторения макроимпульсов 10 Гц.
Некоторое расхождение теоретической кривой с реальной огибающей макроимпульса