Введение к работе
Актуальность темы. За последние несколько лет во всем мире резко юзрос интерес к новому типу источников когерентного излучения — ла-ерам на свободных электронах (ЛСЭ). Принцип действия ЛСЭ осно->ан на явлении вынужденного ондуляторного излучения. Сильная зави-имость длины волны Л ондуляторного излучения от энергии электронов ? = уте2
А ~ d/y2
d - период ондулятора) делает возможным создание ЛСЭ, работающих в [напазоне длин волн от 1 мм до 1 им. Использование в ЛСЭ электронных іучков большой средней мощности позволит надеяться, что по средней ющности излучения ЛСЭ смогут превзойти большинство существующих лазеров. Таким образом, основными преимуществами ЛСЭ перед бычными лазерами являются перестраиваемость длины волны излуче-ия и довольно большая мощность.
Однако, одним из факторов, сдерживающих развитие ЛСЭ большой редней мощности, является ограничение внутрирезонаторной средней ющности генераторного ЛСЭ, обусловленное радиационной прочностью еркал его оптического резонатора. Выведенная из оптического резона-ора мощность лазерного излучения обычно составляет малую долю от нутрирезонаторной мощности. При использовании предлагаемого в дан-ой диссертации электронного вывода излучения мощность выведенного злучения не ограничена мощностью излучения внутри оптического ре-энатора ЛСЭ и может даже превышать ее.
Целью настоящей работы является:
аналитическое исследование условий когерентности излучения (сохранения пространственно-временной корреляции продольной плотности) пучка электронов в двух последовательных ондуляторах, разделенных магнитной поворотной системой;
экспериментальное наблюдение когерентности излучения электронов из двух последовательных ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом;
аналитические расчеты полной мощности когерентного ондулятор-ного излучения электронного пучка, предварительно промодулирован-ного в задающем ЛСЭ-генераторе для "электронного" вывода излучения из ЛСЭ;
экспериментальное исследование генерации излучения в оптическом клистроне (ОК) с конфокальным резонатором на предмет возможности создания задающего ЛСЭ-генератора с очень длинным оптическим резонатором.
Научная новизна. Предложен способ решения проблемы вывода излучения из оптического резонатора мощного ЛСЭ - электронный вывод, отличающийся наличием дополнительного ондулятора (радиатора), отделенного от основной магнитной системы задающего ЛСЭ-генератора бездисперсионной магнитной системой (ахроматическим поворотом), сохраняющей пространственно-временную корреляцию продольной плотности пучка электронов. С использованием магнитной системы оптического клистрона на накопителе электронов ВЭПП-3, предложен и осуществлен эксперимент по наблюдению взаимной когерентности излучения электронов (обусловленной сохранением пространственно-временной корреляции их продольной плотности) из двух ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом. Получены аналитические выражения, учитывающие эмиттанс и энергетический разброс, для расчета мощности когерентного ондуляторного излучения пучка электронов, предварительно промодулированного в задающем генераторном ЛСЭ. Учтено влияние конечных эмиттанса и энергетического разброса пучка электронов. Предложено использовать конфокальный резонатор в ЛСЭ-генераторе с очень длинным оптическим резонатором. В результате проведенных экспериментов по генерации излучения ОК в конфокальном оптическом резонаторе действительно наблюдалась слабая критичность генерации к угловой расстройке зеркал такого резонатора.
Практическая значимость результатов исследований. При
электронном выводе излучения из генераторного ЛСЭ величина его
максимальной внутрирезонаторной мощности (ограниченная^- в частно
сти, радиационной прочностью зеркал его оптического резонатора) не является непосредственным ограничением полезной мощности излучения ЛСЭ. выведенного из его оптического резонатора. Полученные аналитические выражения.для когерентного ондуляторного излучения в генераторном ЛСЭ с электронным выводом для оптимизации его параметров, предложения по усовершенствованию его конструкции позволяют проектировать установки, обеспечивающие параметры излучения (длину волны, мощность, угловое распределение), подходящие для научных и технических приложений. ЛСЭ с электронным выводом излучения на строящемся в настоящее время мнкротроне-рекуператоре будет мощным источником когерентного инфракрасного излучения для фотохимии, мо-пекулярной физики, разделения изотопов и т.д.
Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
-
Предложен способ решения проблемы вывода излучения из оптического резонатора мощного ЛСЭ — электронный вывод, отличающийся наличием дополнительного ондулятора (радиатора), отделенного от основной магнитной системы задающего ЛСЭ-геиератора бездисперсионной магнитной системой (ахроматическим поворотом), сохраняющей пространственно-временную корреляцию продольной плотности пучка электронов.
-
С использованием магнитной системы оптического клистрона на и ..опителе электронов ВЭПП-3, предложен и осуществлен эксперимент по наблюдению взаимной когерентности излучения электронов (обусловленной сохранением пространственно-временной корреляции их продольной плотности) из двух ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом.
-
Получены аналитические выражения, учитывающие эмиттанс и энергетический разброс, для расчета мощности когерентного ондуляторного излучения пучка электронов, предварительно промо-дулировашюго в задающем генераторном ЛСЭ. Учтено влияние конечных эмиттанса и энергетического разброса пучка электронов.
, 4. Предложено использовать конфокальный резонатор в генераторном ЛСЭ с очень длинным оптическим резонатором.. В результате проведенных экспериментов по Генерации.излучения ОК в конфокальном оптическом резонаторе действительно наблюдалась слабая критичность генерации к угловой расстройке зеркал такого резонатора
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четыред глав и заключения. Текст иллюстрирован 19 рисунками, список лите-, ратуры включает в себя 26 наименований.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, неоднократно докладывались и обсуждались не семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах: Институт* ядерной физики СО РАН, Институте автоматики и электрометрии СС РАН, Институте химической кинетики и горения СО РАН, Лабораторні им.Лоуренса (Беркли, США), Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), Аргоннской национальной лаборатории (США), Брукхэй-венской, национальной лаборатории (США),, Лаборатории по. использо ванию синхротронного излучения (Франция), Институте молекулярныз наук (Япония), Исследовательском центре «Риген» (Япония), Японец институте исследований.по атомной энергли,а также на Международ ных конференциях по лазерам на свободных электронах FEL'90 (Париж ' Франция, 1990г.), FEL'92 (Кобе, Япония, 1992г.)'; FEL'93 (Гаага, Голлан дня,-1993г.), XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных ча стиії (Москва, 1990 г.), Советско-японских семинарах по синхротронному излучению (Цукуба, 1991 г.; Кобе, 1991 г.), Российско-американском ра бочем совещании по передаче.энергии ЛСЭ в космос (Новосибирск; 19.91 г.), Всесоюзной коференции по использованию синхротронного йзлуче ния СИ-90 (Москва, 1990г.), Всероссийской коференции по использова нию синхротронного излучения СИ-94 (Новосибирск, 1994г.), Европей ской конференции по ускорителям заряженных частиц ЕРАС'94 (Лондон Великобритания, 1994г.), Азиатском симпозиуме по лазерам на свобод ных электронах AsianFEL-95 (Новосибирск, 1995г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.