Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ 11
Взаимодействие заряда со свободной волной 13
Классификация лазерных ускорителей 14
Лазерное ускорение в вакууме 15
Лазерное ускорение в дальней зоне 16
Ускорение в ближней зоне. 22
Плазменные ускорители 26
Ускорение кильватерной волной, созданной заряженным сгустком-
драйвером (PWFA) 27
Ускорение в плазме, возбужденной лазерным импульсом 30
Вывод 34
ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНЫЙ МИКРОУСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ 35
Описание микроускорителя 35
Принцип действия микроускорителя 36
Особенности ускорения частиц в диапазоне длин волн лазерного
излучения 40
Величина поперечного эмиттанса пучка для лазерного ускорителя 40
Длина сгустка для лазерного ускорителя 41
Заряд сгустка и средний ток пучка 42
Эффект пространственного заряда 44
Роль кильватерных полей 46
Квантовый эффект, возникающий при формировании сгустков 47
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА 48
Электронная пушка с термокатодом 49
Методика расчета электронной пушки 50
Схема электронной пушки 50
Оценка напряженности поля на поверхности катода 53
Параметры электронной пушки 55
Расчет параметров пучка электронов. 55
Электронная пушка на основе автокатода 58
Схема электронной пушки на основе автокатода 55
Методика расчета электрического поля в электронной пушке 62
Метод расчета движения электронов в электронной пушке 66
Параметры пучка на выходе электронной пушки 70
Сравнение параметров двух рассчитанных электронных пушек 71
ГЛАВА 4. СИСТЕМА ГРУППИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
73
Полигармонический группирователь для лазерного ускорителя 73
Механизм группирования 74
Численное моделирование процесса группирования 79
Формирование полигармонического поля 86
Выводы 87
ГЛАВА 5. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА 89
Расчет ускоряющей структуры 89
Динамика сгустка электронов в ускоряющей структуре 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение энергии электронного пучка за пределы порядка 1 ТэВ, необходимое для дальнейшего прогресса физики высоких энергий, возможно лишь при существенном росте темпа набора энергии частиц по сравнению с достижимой на сегодняшний день величиной 50-100 МэВ/м. Поскольку градиент энергии в линейном
ускорителе растет обратно пропорционально лМ, где X - длина волны ускоряющего поля, то одним из путей увеличения темпа набора энергии является переход от длин волн электромагнитного поля порядка 0.2-0.01 м к X порядка 10 рм, где существуют мощные СОг лазеры, способные обеспечить градиент энергии до 1-10 ГэВ/м. К настоящему времени предложены десятки схем лазерного ускорения (например работы [1,2,3,4]), а также схемы плазменного ускорения [5], однако во всех случаях рассматривается движение ультрарелятивистского пучка начиная с энергий 1-10 ГэВ, проблема же формирования коротких нерелятивистских сгустков длиной 1 им и менее, с малым поперечным эмиттансом в рамках концепции лазерного ускорения оставалась за рамками обсуждаемых вопросов.
Задачи, решаемые при расчете динамики пучка в начальной части лазерного микроускорителя электронов, сходны с задачами, которые необходимо решать при расчетах ускорителей электронов в диапазоне длин волн 3-30 см, широко используемых в настоящее время. В частности, необходимо обеспечить формирование и ускорение сгустков электронов с минимальными потерями, сконцентрировав частицы в минимальном продольном и поперечном фазовом объеме.
Линейные размеры ускорителя прямо пропорциональны длине волны ускоряющего поля, поэтому при переходе от рассмотрения теории ускорителей с темпом набора энергии частиц порядка 10-50 МэВ/м к рассмотрению теории ускорителей нового поколения с темпом набора
энергии более 1 ГэВ/м, размеры ускоряющей структуры для этих ускорителей необходимо масштабировать в соответствии с длиной волны А. Однако, уменьшение длины волны ускоряющего поля в лазерном ускорителе в 104-105 раз по сравнению с обычными ускорителями вносит ряд новых особенностей в процесс ускорения электронов, что требует детальных исследований динамики пучка.
Отличия ускорителей, работающих в диапазоне длин волн лазерного излучения (1-10 цм), от обычных ускорителей заключаются в следующем. Во-первых, вследствие уменьшения длины волны ускоряющего поля необходимо уменьшать апертуру ускоряющей структуры. Поэтому возникает необходимость формировать сгустки электронов с чрезвычайно малым поперечным эмиттансом. Так для ускоряющей структуры с апертурой порядка нескольких микрон, с учетом того, что длина самой ускоряющей структуры может составлять сотни и тысячи длин волн, поперечный эмиттанс пучка может составлять величины порядка 1-Ю"3 — 1-Ю"5 мм-мрад. Во-вторых, чем меньше длина волны ускоряющего поля, тем меньше должен быть продольный эмиттанс пучка, который зависит от длины сгустка. В-третьих, увеличивается влияние сил пространственного заряда: так как размеры сгустков малы (порядка микрон), взаимодействие электронов в сгустке, вследствие небольшого расстояния между ними, велико. В-четвертых, в диапазоне длин волн ускоряющего поля 1-10 рм существенно возрастает влияние паразитных, или, так называемых, кильватерных полей, величина которых пропорциональна Л3 для продольной составляющей поля и пропорциональна X для поперечных составляющих. В-пятых, при ускорении электронов в полях на длинах волн в диапазоне лазерного излучения возможны проявления квантового эффекта, суть которого заключается в том, что, согласно соотношению неопределенности Гайзенберга (AWAl>h), невозможно получить короткий сгусток электронов
длиной ЛІ с малым разбросом по энергии AW, если произведение длины сгустка и величины разброса по энергиям электронов пучка меньше, чем постоянная Планка Н.
Цель работы. К настоящему моменту времени существует большой
объем работ, выполненных в области физики лазерных ускорителей,
которые, в основном, имеют теоретический характер и предлагают
концептуальные схемы ускорения электронных сгустков
ультрарелятивистских энергий, не затрагивая процессы формирования и ускорения пучка с небольшой энергией. Целью данной работы является рассмотрение процесса формирования коротких сгустков нерелятивистского электронного пучка с малым поперечным эмиттансом и захвата их в режим ускорения в лазерном микроускорителе.
В данной работе проведено численное моделирование процесса формирования пучка для лазерного ускорителя: получение электронного пучка с малым эмиттансом в электронной пушке; согласование параметров пучка электронной пушки с параметрами пучка, которые требуются на входе в ускоряющую структуру, получение коротких сгустков из непрерывного потока электронов с помощью группирователя; ускорение нерелятивистского пучка до релятивистских энергий.
Электронные пушки, использующиеся в качестве источников электронов для современных ускорителей с темпом набора энергии 10-50 МэВ/м не могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к электронным источникам для ускорителей нового поколения, так как поперечные размеры пучка на выходе из этих источников (составляющие порядка миллиметров) гораздо больше размеров пучка, необходимого для ускорителей нового поколения (порядка микрон). Возникает потребность в качественно новых электронных источниках, которые будут обеспечивать пучок электронов с необходимыми характеристиками. В работе предложена
одна из возможных схем электронной пушки, которая, согласно численным расчетам, способна создавать электронный пучок с эмиттансом менее 1 мм-мрад.
Для преобразования непрерывного электронного пучка в сгустки, следующие друг за другом с определенным интервалом, в работе проанализированы два метода группирования частиц. Рассматривается метод группирования, основанный на модуляции скоростей электронов потока в узком щелевом зазоре, а также метод группирования электронов, основанный на многочастотной модуляции скоростей электронов электромагнитным полем лазерного луча в свободном пространстве.
В качестве ускоряющей структуры используется структура с переменным периодом, состоящая из чередующихся резонаторов и дрейфовых промежутков, длины которых подобраны так, чтобы поле, созданное в этих резонаторах было согласовано со скоростью электронов, двигающихся в этой структуре.
Практическая значимость. В работе рассмотрен полный цикл ускорения электронов, начиная с момента их вылета с поверхности катода до получения пучков электронов релятивистских энергий. Для расчетов использовалось численное моделирование для каждого из этапов рассматриваемой модели. В результате были получены схема электронной пушки, проведены оценки ее параметров; параметры для ускоряющей структуры инжектора, состоящей из 20 ячеек; произведен расчет различных схем группирования электронного пучка, проведено сравнение их эффективности.
Автор защищает: методику и результаты расчета электронной пушки с автокатодом,
которая обеспечивает на выходе пучок электронов с эмиттансом
порядка 10"5 мм-мрад;
методику и результаты расчета предложенного полигармонического группирователя, эффективно преобразующего непрерывный монохроматический пучок в узкие сгустки электронов, длиной порядка 1 цм;
методику и результаты расчета ускоряющей структуры инжектора для лазерного микроускорителя на длине волны 10 им.
результаты расчета динамики пучка в электронной пушке, в группирователе и в структуре лазерного ускорителя.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе приводится обзор опубликованных работ связанных с теоретическим и экспериментальным исследованием в области лазерного ускорения электронов, необходимый для более широкого понимания роли ускорителей нового поколения в современной физике. Проведена классификация существующих на сегодняшний день типов лазерных ускорителей в зависимости от использующихся в них способов ускорения электронов. Согласно представленной классификации, рассматриваются наиболее перспективные проекты, которые велись в мировых научных центрах, описаны полученные достижения. Особенно подчеркивается то, что ускорители с высоким темпом набора энергии имеют огромный потенциал для дальнейшего развития.
Во второй главе диссертации приводится схема лазерного ускорителя электронов, объясняется принцип работы данного ускорителя. Также обсуждаются особенности ускорения частиц в диапазоне длин волн лазерного ускорения: необходимость использования электронного пучка с малой величиной поперечного эмиттанса; проблема группирования непрерывного пучка в продольные сгустки малой длины; величины
достижимого среднего тока ускоряемого пучка; особенности влияния пространственного заряда и квантового эффекта; обсуждается проблема кильватерных полей.
В третьей главе произведен расчет электронного источника электронов для рассчитываемого инжектора к микроускорителю. Рассматривается два разных варианта электронной пушки: а) термокатодная электронная пушка, б) автокатодная электронная пушка. Для расчетов каждого из вариантов использовались разные методики и вычислительные программы. В результате, для обоих вариантов получены: схема пушки, необходимые параметры пушки и характеристики пучка на выходе из нее. В заключении части приводятся достоинства и недостатки каждого из рассмотренных вариантов пушки, проведен анализ для выбора наиболее подходящего варианта.
В четвертой главе диссертации рассмотрены методы группирования частиц в продольном фазовом пространстве на лазерном луче. Исследуется проблема формирования коротких сгустков электронов с малой энергией (50-100 кэВ) на длине волны лазерного излучения за счет скоростной модуляции, возникающей при пересечении электронным потоком перпендикулярно направленного лазерного луча с поляризацией электрического поля вдоль потока. Рассматривается только продольное движение электронов, полагая пучок слаботочным и бесконечно тонким. Малый поперечный эмиттанс пучка может быть получен с помощью электронной пушки с автоэмиссионным катодом [2]. В соответствии с особенностями лазерного ускорителя предполагается, что группирователь работает в импульсном режиме с длительностью импульса 10-100 пс. Рассмотрены возможности создания группирователя частиц для лазерного ускорителя, основанные на модуляции электронного потока переменным гармоническим и полигармоническим полем лазерного луча и его
последующей группировки в пространственно изменяющемся потенциале. В кинематическом приближении получены выражения для скорости электрона и времени его движения через группирователь. На основе численного моделирования движения электронов в трёхчастотном поле группирователя продемонстрирована возможность оптимизации амплитуд гармоник, позволившая получить в сгустке шириной ±9 до 71 % частиц потока в группирователе на трех гармониках и до 35 % в группирователе на одной гармонике. Предложена схема лазерного эксперимента на основе СОг лазера и умножителей частоты для подтверждения рассмотренного механизма группировки.
В пятой главе приведена методика расчета ускоряющей структуры инжектора для лазерного ускорителя. Рассмотрена проблема согласования эмиттанса пучка на выходе из электронной пушки с аксептансом ускоряющей структуры. Представлена схема отдельной ячейки и распределение электрического поля внутри него. Получены параметры ускоряющей структуры на основе таких резонаторов разной длины. Произведен расчет динамики пучка электронов в рассчитанной ускоряющей структуре.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Результаты работы докладывались на научных конференциях Particle Acceleration Conference в 2001 году [2], Free Electron Laser в 2002 году [63], на Ломоносовских чтениях в Московском Государственном Университете в 2002, 2003 годах, на научной сессии МИФИ в 2004 году [62], опубликованы в печати [6,7].
