Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Успехи в создании новых эффективных источников электромагнитного излучения в значительной степени определяют прогресс в развитии научных исследований в области естественных наук, а следовательно, и определяют прогресс в развитии техники.
В настоящее врелія практически во всех центрах синхротронного излучения в мире устанавливаются магнитные ондуляторы или виг-глеры (ондуляторы с сильным магнитным полем). Перспективность и расширение использования генерируемого в них релятивистскими электронами излучения, вызывают необходимость дальнейшего углубления теории ондуляторного излучения, поиска его новых интересных особенностей, получения формул для расчета характеристик излучения, удобных для практических инженерных расчетов. Причем задачи, которые вначале имели несомненный академический интерес, со временем получают практическое значение.
Центр тяжести научных исследований, естественно, начинает перемещаться в область создания ондуляторов, имеющих сложную конфигурацию магнитного поля, анализ излучения в которых без численных расчетов порой выполнить невозможно.
С появлением источников СИ третьего поколения, таких как ESRF в Гренобле, ELETTRA в Триесте, SRRC в Хинчу или ALS в Беркли, (а также ряда строящихся установок: BESSY II в Берлине, APS в Ар-гонне. Spring 8 в Японии и МАХ II в Лунде), открылись новые возможности в создании высокоэнергетических источников ондуляторного излучения, как, например, ондулятор в ESRF или PETRA-ондулятор в DESY в Гамбурге. Но создание таких ондуляго])ов, в свою очередь, ставит все более и более высокие требования на точность изготовления магнитной структуры, методы измерения полей и корректировки траектории электронов,а также на способы предсказания влияния различных типов ошибок поля на оптические характеристики ондулятора. В связи с этим, одним из важных направлений исследований в области ондуляторного излучения (ОИ) является изучение влияния различных ошибок магнитного поля на характеристики излучения прибора, с целью определения максимально допустимых погрешностей его изгото-
вленпя.
Современное состояние развития ускорительной техники открывает возможность реализации лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в рентгеновском диапазоне, что долгое время являлось предметом интенсивного исследования. Новое поколение линейных ускорителей и электронных пушек с низким эмиттансом, в совокупности с появлением технологии изготовления очень точных ондуляторов, позволяет создать ЛСЭ, работающий по принципу усиления входных шумов (SASE). Такие ЛСЭ могут, в принципе, усиливать излучение в спектральной области от мягкого ультрафиолета вплоть до жесткого рентгена без применения подающего лазера пли отражающих зеркал. Однако на пути реализации этих идей существует множество научных и технологических проблем: дело в том, что для SASE-ЛСЭ требуются ондуляторы длиной в несколько десятков, или возможно даже сотен метров, обладающие фокусирующими электронный пучок свойствами и высокой точностью изготовления. Поэтому созданпе фокусирующих ондуляторов является новой и очень актуальной задачей. Таким образом, можно сказать, что научные акценты в исследовании свойств ОИ в настоящее время начинают смещаются в область исследования проблем высокоточных технологий, с целью создания источников излучения с необходимыми свойствами.
Все вышеуказанное, в основном, и определяет актуальность теоретических исследований, изложенных в данной диссертации.
Таким образом, перед автором диссертации стояли следующие основные ЗАДАЧИ:
провести теоретические исследования, с целью выявления новых интересных свойств излучения электронов в различных магнитных системах
исследовать влияние, ошибок в распределении магнитного поля на оптические характеристики ондулятора
создать модель фокусирующей магнитной структуры ондулятора для лазера на свободных электронах
Из всего вышесказанного можно сформулировать основную
Цель работы
Исследовать ондуляторное излучение как в идеальных, так п в реальных магнитных полях ондуляторов и, в -частности, излучение "назад", что может представлять не только общетео2^етический, но и практический интерес. Найти формулу, облегчающую расчет спектрально-углового распределения ОН. Провести дальпейшую разработку теории "оптической фазы" для более точного учета влияния ошибок в изготовлении магнитной структуры ондулятора на свойства ОИ. Решить проблему щэоведения электронного пучка, без ухудшения его параметров, через ондулятор длинной в несколько десятков метров для создания ЛСЭ-усилптелей рентгеновского диапазона, усиливающих сигнал из спектра дробовых шумов (SASE-принщш). Применить результаты теоретических исследований и провести компьютерное моделирование для создания ондулятора д.тя накопителя PETRA и для реализации международного проекта TESLA Test Facility (DESY, Гамбург).
Метод исследования
Аналитические исследования проводились стандартными методами классической электродинамики. В необходимых случаях использовались методы численного анализа. Компьютерное моделирование магнитных структур осуществлялось с применением трехмерного пакета программ MAFIA.
Новые научные результаты, выносимые на защиту
-
Доказана теорема существования преде.та функции спектрально-углового распределения по гармоникам мощности спонтанного излучения электрона для произвольной структуры поля ондулятора в предположении слабости магнитного поля.
-
В результате численного и аналитического анализа выявлены новые особенности углового распределения спонтанного излучения электрона, движущегося по дуге окружности, в случае интегрирования по части частотного спектра.
-
Впервые в терминах элементарных функций получена формула углового распределения излучения электронов в плоском магнитном ондуляторе с синусоидальным полем в случае промежуточных значений параметра ондуляторности к.
-
Впервые было обращено внимание на ондупяторное излучение электрона в направлении обратном направлению его движения в ондуляторе. Аналитически исследованы характеристики такого излучения. Показано, что свойства излучения назад существенно отличаются от известных свойств излучения вперед.
-
Развита теория, основанная на понятии оптической фазы, для точного определения влияния ошибок поля на характеристики излучения ондулятора.
-
Предложены три новых фокусирующих магнитных структуры ондуляторов для SASE-ЛСЭ. С помощью методов компьютерного моделирования исследованы их свойства и границы применимости.
-
Аналитически исследовано влияние эффекта колебаний градиента квадрупольного поля в фокусирующем ондуляторе на процесс ЛСЭ. Получен общий критерий, характеризующий влияние колебаний градиента вдоль оси ондулятора на динамику электронов в ЛСЭ и фокусирующие свойства системы.
Научная и практическая ценность работы
определяется тем, что:
-
Предложенные новые модели фокусирующих магнитных структур могут быть использованы для создания новых рентгеновских SASE-ЛСЭ, требующих длинные ондуляторы.
-
Одна из предложенных фокусирующих структур послужила основой дизайна ондулятора для рентгеновского SASE-ЛСЭ в международном TESLA проекте.
-
Полученный общий критерий, характеризующий относительное влияние колебаний градиента фокусирующего поля в ондулято-
ре на процесс ЛСЭ, необходим для определения характеристик FODO-реіпетки для конкретных параметров системы.
-
Разработанная программа для расчета влияния ошибок магнитного поля на характеристики излучения была применена для спецификации PETRA ондулятора, а также может быть применена для определения необходимой точности изготовления любой другой магнитной структуры для вигглера пли ондулятора.
-
Некоторые свойства излучения электрона в направлении, обратном направлению его движения, открывают новые возможности в экспериментах по излучению при каналировании.
-
Полученное явное выражение для углового распределения излучения представляет не только теоретический интерес, но и существенно облегчает численные расчеты характеристик излучения.
-
Теоретические результаты по изучению свойств излучения заряда, движущегося по дуге окружности, могут послужить основой для дальнейших исследований з области синхротронного излучения.
Апробация материалов диссертационной работы
Результаты, положенные в основу диссертации, докладывались на:
- семинарах кафедры квантовой теории поля Томского Государ
ственного Университета,
семинарах II Института Теоретической л Экспериментальной Физики Гамбургского Университета,
научных семинарах TESLA-FEL проекта (DESY, Гамбург),
а также представлены и опубликованы в материалах следующих конференций:
IX Всесоюзная конференция 'ВУФ-9Ґ, Томск, Декабрь 1991.
Международная конференция 'SR-94', Новосибирск, Июль 1994.
Международная конференция 'FEL-95', New-York, Август 1995.
Международный симпозиум 'RREPS-95', Томск, Сентябрь 1995.
Публикации
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 16 работах, -основные из них представлены списком в конце автореферата [1-13]. Публикации сделаны, главным образом, в журнале "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. А" и в виде препринтов "DESY-Print" (Гамбург).
Структура и объем работы
