Введение к работе
Актуальность и практическая значимость работы К настоящему времени лазеры на свободных электронах (ЛСЭ> заняли свое собственное место среди других генераторов когерентного излучения. В трех широких диапазонах длин волн ЛСЭ не имеют конкурентов. Во-первых, в субмндлиметровоа области, излучение в которой предназначено для нагрева плазмы токамаков и использования в перспективе для радарных систем. Сущэствует ряд проектов ЛСЭ для нагрева плазмы, основанных либо на использовании индукционных ускорителей, обеспечивающих высокую импульсную мощность излучения (ГВт.) при относительно большой частоте повторения импульсов, либо на использовании электростатических ускорителей, работающих в квазинепрерывном режиме и обеспечивающих высокую среднюю мощность излучения. Последнее направление на сегодняшний день представляется более предпочтительным. Во-вторых, в инфракрасной области, где ЛСЭ используются главным образом пользователями из других областей физики, химии, биологии и медицины. Чрезвычайно важной характеристикой для пользователей является непрерывная перестраиваемость ЛСЭ. Одной из основных задач в этом направлении является создание дешевой установки, доступной многим исследователям. Это предполагает нахождение новых Физических решений, поиск которых ведется в ряде- лабораторий* Третьим диапазоном длин волн является ультрафиолетовое и рентгеновское излучениайсточником электронов для ЛСЭ этого диапазона являются накопители с наличием относительно больших прямолинейных промежутков. Наиболее применимой схемой ЛСЭ является оптический, клистрон. Хотя возможно использование односекционного ондулятора большой длины. В последнее время большой интерес
привлекают многокомпонентные схемы ЛСЭ.
Несмотря на то, что физика ЛСЭ достигла значительных успехов, она еще далека от завершения. Актуальна задача повышения выходных мощностей. Не менее важна проблема достижения высоких коэффициентов полезного действия. Столь же важна проблема увеличения линейного коэффициента усиления, т.е. сокращения времени или пространственных размеров, требуемых для достижения насьпцения. В коротковолных ЛСЭ или в случае генерации гармоник коэффициент усиления в принципе невелик, поэтому больший коэффициент усиления в этом случае имеет принципиальное значение. Очень важными задачами являются достижение спектральной чистоты, обеспечение быстрой перестраиваемости. Большой интерес представляют возможности снижения требований к электронному пучку, в особенности в связи с использованием мощных пучков электронов. Представляют интерес возникающие сопутствующие физические эффекты, результатом которых является решение перечисленных выше задач. Достаточно широкие возможности применения ЛСЭ определяют практическую значимость новых результатов, решений и механизмов взаимодействия, связанных с этим семейством генераторов.
Цель диссертации
Настоящая диссертация посвящена поиску решений сформулированных выше проблем. Нахождение этих решений возможно как на пути создания и разработки новых схем ЛСЭ. так и путем более глубокого понимания нелинейных физических механизмов, обеспечивающих работу ЛСЭ. Наконец, ясное представление о взаимодействиях в ЛСЭ невозможно без результатов численного
моделирования, в особенности поскольку эти взаимодействия
.4
приводит к значительному росту к. п. д.
2.2. Развита теория генерации гармоник в двухондуляторных ЛСЭ с
дополнительными группирующими механизмами. Показано, что в этом
случае возможна селективная генерадия гармоник, когда усиливается
только одна выбранная гармоника, а остальные : подавлены.
Эффективная генерация гармоники может достигаться не путем
увеличения параметра недипольности, требующего использования
больших ондуляторных магнитных полей, а выбором резонансного
соотношения между периодами основного и вспомогательного
ондуляторов.
2.3. Показано, что двухокдуляторный' ЛСЭ с использованием
фокусирующего ионного канала, который обеспечивает возникновение
дополнительных колебаний. приводящих усилению группировки
электронов, дает возможность существенно увеличить коэффициент
усиления в коротковолновых ЛСЭ. предназначенных для генерации
излучения в УФ и рентгеновской областях.
-
Показано, что в двухкомпонентном ЛСЭ с дополнительными квэдрупольными.' полями самосогласованно осуществляется генерация излучения в первой секции ондулятора и реализация режима отражения от пондеромоторного потенциала, характеризующегося высоким к.п.д. , во второй секции.
-
Показано, что к.п.д. ЛСЭ с переменными параметрами и дополнительным продольным магнитным полем при определенном соотношении между величиной поля и степенью профилирования параметров ондулятора может существенно превосходить к.п.д. несинхронизованного ЛСЭ. Развита теория, позволяющая определить необходимый диапазон параметров ЛСЭ.
2.8. Предложена схема ЛСЭ. работающего с короткими электронными импульсами, который позволяет достичь мощности усиливаемой волны, существенно превосходящей уровень насыщения, обусловленного захватом электронов пондеромоторной волной. Этот эффект достигается сфазированием положений электронного и лазерного импульсов, позволяющим электронам избегать фазы синхротронних колебаний, соответствующей поглощению энергии волны* 3. Развита концепция мазеров на свободных электронах высокой средней мощности с высоким полным к.п. д.. перестраиваемых с широком диапазоне частот и работающих в режиме длинного импульса электростатического ускорителя.
3.1. Предложена оптимизированная конструкция МСЭ со средней
мощностью I МВт, непрерывно перестраиваемого в диапазоне
130-250 ГГц. стабильным спектральным режимом и высоким к. п. д.
Разработанный МСЭ построен в Институте физики плазмы (Голландия) и
находится в стадии запуска. Этот МСЭ послужил основой для более
мощных МСЭ, разрабатываемых в Ливерморской национальной
лаборатории им. Лоуренеа (США) и в рамках Германско - Голландско -
Бельгийского проекта по физике плазмы.
3.2. Построен многочастотный трехмерный численный код. описывающий
взаимодействие в МСЭ в условиях реального распределения полей.
Указанный код будет общедоступным через сеть internet в режиме
анонимного доступа.
3.3. Показано, * что разработанная двухкомпонентная схема МСЭ
позволяет обеспечить устойчивую совместную работу обеих. секций
ондулятора: первой как генератора и второй как усилителя.
3.4. Показано, что при оптимизации режимов работы МСЭ с целью
достижения режимов работы со стабильной спектрально-узкой выходной линией излучения принципиально выжным является учет сил пространственно заряда, возникающих при группировке электронного пучка в процессе взаимодействия. Определены пути управления спектром излучения МСЭ с целью достижения наиболее оптимальных спектральных режимов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 12-ой (Париж. 1890). 14-Ой (Кобе. 1882). 15-ой (Гаага, 1883), 18-ой (Стенфорд, I9S4), 17-ой (Нью-Йорк. 1885), 18-ой (Рим. 1986) Международных конференциях по лазерам на свободных электронах; на 5-ом Европейском совещании по лазерам на свободных электронах (Англия. 1883), на 2-ом и 3-ем совещаниях по мазерам на свободных электронах "(Голландия. 1882. 1983). на 9-ом Международном совещании по электронному циклотронному нагреву плазмы (Калифорния. 1985), на 2-ом и 3-ем Международных совещаниях по мощным микроволнам в плазме (Нижний Новгород, 1983), на 7-ом Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск, 1888). а также на научных семинарах РНЦ "Курчатовский институт". Института общей физики РАН. МГУ им. М. В. Ломоносова. Института физики плазмы (Голландия), Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США). Берклиевской национальной лаборатории им. Лоуренса (США). Технического университета г. Эйндховен (Голландия). Зколь Политекник (Франция). Национального исследовательского центра в Бруэ-ла-Шатель (Франция) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации оубликовано в 40 работах.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из
о.
введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего
133 наименование, содержит ,42 рисунка и изложена на 198 страницах.
