Некоторые свойства частично когерентного электромагнитного излучения электронного пучка

• Автор: Горбунов, Михаил Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 68 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава I. Частичная когерентность электронного сгустка
1. О когерентном излучении
2. Описание модели
3. Критерий когерентности
5. Регистрируемая когерентность
Глава II. Учёт влияния радиационного трения на индуцированное излучение
1. Фазировка в системе без потерь
2. Учёт радиационного трения
3. Решение методом последовательных приближений
4. Оценки и выводы
Глава III. Об одной возможности модификации источников синхротронного излучения
1. Когерентность для одночастичной модели излучателя
2. Спектрально-угловой состав излучения вигглера
3. Выводы
Заключение
Приложение
О флуктуациях спонтанных потерь
Список литературы

Введение
Трудно возразить против утверждения, что в приборах вакуумной электроники выходное излучение причинно обусловлено излучением индивидуальных электронов, будь то следствием их ускорения внешними полями, как в синхротронах, МЦР и т.д., эффектом Вавилова-Черенкова, как в ЛБВ, или переходным излучением, к которому сводится механизм действия клистрона и тому подобных устройств. Все эти первичные механизмь! прекрасно исследованы и вошли в сотни монографий и учебных курсов по электродинамике. Однако при этом практически не обсуждается чудовищная разница между интегральными потерями одной частицы и её кинетической энергией, т.е. сравнение КПД излучения одиночной частицы и коллектива частиц, всегда присутствующего в реальных приборах.
Действительно, простейшие оценки классической формулы для интенсивности радиационных потерь во внешнем магнитном поле В [1]
где для простоты учтено воздействие на электрон только магнитного поля, дают верхнюю оценку потерь на длине Ь
При вполне солидных параметрах Ь ~ 1 мий~ 104Гс основной вклад из-за малой величины классического радиуса электрона го (1) даёт потери на уровне всего 10"'У эрг. Это обеспечивает коэффициент преобразования кинетической энергии электрона 10'6у в энергию излучения лишь на уровне 10'6у. Совершенно очевидно, что говорить в таких условиях о КПД прибора на уровне хотя бы процента абсолютно бессмысленно. Примерно аналогичные результаты получаются и для КПД преобразования кинетической энергии в энергию черепковского или переходного излучения.
Логическая ошибка этих рассуждений, в общем-то, очевидна, поскольку в реальности речь идёт о когерентном излучении упорядоченной системы электронов.

го - —у - класс, радиус электрона.

которое по своим спектрально-угловым характеристикам имеет мало общего с излучением одиночной частицы. Примечательно, что вопрос излучения коллектива частиц не рассматривается в имеющихся курсах электродинамики, хотя излучение отдельной частицы является их обязательной частью. Между тем увеличение мощности обусловлено интерференцией волновых полей отдельных частиц, которая зависит от взаимного расположения последних. Действительно, как показано ниже на примере одномерной цепочки N регулярно распределённых излучателей, коэффициент когерентности зависит от фазовых соотношений между частицами следующим образом
sin2«
sin2a/V
Коэффициент когерентности показывает отношение спектрально-угловой яркости излучения отдельной частицы к её излучению в коллективе N частиц и в зависимости от фазовых соотношений может варьироваться в пределах от 0 до N2. Здесь а -выраженная в единицах длины волны излучения средняя фазовая длина пучка. Подробный анализ этой зависимости приведён ниже, но, не вдаваясь в суть вычислений, нетрудно видеть, что резкие максимумы такой зависимости совпадают с целочисленными соотношениями фазовых расстояний и длины волны - выполнением условие интерференции.
Результат - резкое повышение спектральной яркости избранных мод за счёт сужения полосы, которая, правда, в идеале не может быть меньше c/L - естественной ширины спектральной линии, определяемая длительностью процесса излучения. В пределе при увеличении длины формирования излучения (L—н») коэффициент когерентности растёт до величины порядка N2, что и определяет увеличение яркости.
Полученный результат соответствует одномерной цепочке свободно летящих осцилляторов, но может быть отнесён к любому виду излучения. Ключевым здесь и в других задачах когерентного излучения является сохранение фазовых соотношений индивидуальных излучателей на интервале времени достаточном для формирования излучения интересующей нас частоты.
Повышение мощности, как отмечалось выше, связывают с эффектом когерентного излучения отдельных излучателей составляющих релятивистский пучок

Случай больших а соответствует ограничению когерентности для излучателей находящихся на больших расстояниях (много длин волн) друг от друга. Формально когерентность в таком случае не исчезает, но из-за непредсказуемости углового распределения интерференционных максимумов использование такого режима как для поддержания индуцированных эффектов в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ), так и для результирующего излучения весьма проблематично. В следующей главе будет разобран механизм, ограничивающий индуцированный эффект между частицами, находящимися на расстоянии многих длин волн, и связанный с учётом радиационного трения.
Реализацию такого набора параметров рабочего пучка можно расценивать как исчезновение оптической активности системы излучателей малой плотности. Когда угловое распределение спектральных компонент излучения теряет свою схожесть с излучением одиночной частицы, основные потери происходят в узкие пики когерентных выбросов. Пример такого распределения представлен на Рис. 8: (а) - в трёхмерном виде и (б) - сечение плоскостью, проходящей через ось системы и плоскость поляризации.
Квадрат поля излучения, ОТН. ЄД.
а) трёхмерная визуализация
б) сечение азимутальной плоскостью
Рис. 8. Когерентный порог спонтанного излучения.