Введение к работе
Диссертация посвящена проблеме излучения релятивистских заря-кеннше частиц и частиц, обладающих магнитным моментом, при периодическом и квазкперкодическом дп-ккенвк. Рассмотрены некоторые случаи излучения при непериодическом движении,' а также решены уравнения движения в полях, обладающих определенной пространственной симметрией.
Актуальность темы определяется потребностью в мощных источниках электромагнитного изучения в еоэкожно большем спектральном интервале. Существующие в настоящее время лазеры охватывают сравнительно узкую часть сдекгра - от инфракрасного излучения до глубокого ультрафиолета и излучают, как правило, на дискретных частотах. І.'.ехду тем заряженные частицы при периодическом движении генерируют излучение в интервале от радиоволн до жесткого рентгеновского диапазона и позволяют непрерывно перестраивать частоту излучения.
С расширением области прикладных применений излучения релятивистских заряженных частиц возникла необходимость исследования с одной стороны общих свойств этого излучения, а с другой - специфических характеристик ъ электромагнитных полях вигглера, ондулятора, кристалла и других. Актуальной стала разработка общих приемов п методов расчета излучения.
В связи с постоянно возрастающими требованиями к источникам излучения усложняется пространственная структура электромагнитных полей, в которых происходит генерация. Это, в .свою очередь, визы-вает потребность в использовании приближенных методов расчета излучения. В диссертации разработаны некоторые из таких методов.
Одной из фундаментальних проблем электродинамики является проблема восстановления траектории заряда по-известному электромагнитному полю, созданному этим зарядом. Теоретическое значение и практические приложения решения этой проблею* трудно переоценить. В работе предлагается общее реиение обратной задачи теории излуче-
ІШЯ.
Среда Багшейшмс характеристик излучения - степень его когерентности. В связи с этим в диссертации исследованы когерентные свойства излучения, создаваемого пучком релятивистских частиц nj движении в периодических структурах.
' Целью работы является разработка приближенных методов рєсч< электромагнитного излучения частиц при квазипериодическом двкжеі решение обратной задачи теории излучения и исследование когерені ности излучения пучков заряженных частиц.
Научная новизна работы заключается в том, что изложенные в результаты получены впервые и являются в этом смысле оригинальні В диссертации содержится решение-следующих задач.
1. Разработаны методы приближенного расчета излучения заряженяо)
частицы при квазиперкодаческом движении. В частности:
приближение I/Ы для большого числа М алекентов период ности траектории.
квазисинхротронное приближение, соответствующее большим уг, отклонения вектора скорости частицы от начального направле: обобщено на случай произвольного угла между направлением с; рости и направлением ускорения. '
- получены асимптотические вираження для спектрально-угловог<
распределения излучения при f -~*о ( у - релятивистский I
тор) в показано, что при этом форма спектрально-углового р
. предёления и спектра стремится к определенному пределу, а
висикость от сводится к изменению масштабных множите л
2. Бпервые проведено исчерпывающее исследование обратной задачи
электромагнитного излучения точечного заряда. Дано точное
решение для траектории в терминах напряженности поля
излучения 8Т0Г0
заряда. ' 3. Исследована зависимость степени когерентности излучения пучка релятивистских частиц от распределения по координатам и импульсам.
-
Решены уравнения движения заряда в электромагнитных полях, имеющих определеннуо степень симметрии.'
-
Решен ряд частных задач, связанных с движением и излучением заряженных частиц.
Научное и практическое значение работк. Ьлучение заряженных частиц в синхротронах, ондуляторах и лазерах на свободных электронах находит самое широкое применение в тучных исследованиях и промышленности.. Оно используется в радиационной химии, биологии, рентгеновской микроскопии, фотолитографии, физике твердого тела и так далее. Результаты,.полученные в-диссертации'будут полезны при проектировании новых источников электромагнитного излучения . и выборе режимов работы уже существующих ондуляторов и лазеров На свободных электронах.
Значение решения обратной задачи излучения позволяет проектировать приборы, генерирующие излучение с наперед заданными свой-- . стввми. В частности, в диссертации рассмотрен ондулятор, генерирующий интенсивное квазимонохроматическое излучение. Другой ондулятор, предложенный автором (совместно с М.М.Никитиным), в котором поляризация излучения регулируется от линейной до круговой, был реализован в Электротехнической лаборатории в Цукубо (Япония). Очевидно, что обратная задача возникает и при исследовании движения межзвездной плазмы по спектру и поляризации излучения, кото-рое она испускает в космических магнитных полях.
Излучение частиц в поле сверхпроводника П рода позволяет оперативно диагностировать геометри») репеткя вихрезіос нитей магнитного поля. Сама ресет^я может быть испо.тьлопянз гяу. ондулятср с
чрезвычайно коротк"'.' периодом порядка микрона.
Основные-положения, выносимые на защиту.На защиту выносятся следующие результаты.-
1. Развиты методи приближенного расчета излучения релятивист
ских зпряженных частиц.
Разработано приближение I//V, основанное на малости величины, обратной числу периодов колебаний 'яс =\ца. Исследованы характерные свойства излучения частиц, совершающих большое число колебаний.
В явном виде получены общие выражения дтя излучения частиц, движущихся в проиэпольном электромагнитном поле при условии, что
угол отклонения вектора скорости от начального направления много больше характерного угла излучения. Показано, что в этом случае излучение может существенно отличиться от синхротронного.
Показано, что в приосевои приближении форма спектрально-углового распределения излучения не зависит от энергии частицы и определяется только полем, в котором она движется. Получена формула, выражающая характеристики излучения через поле на оси траектории.
2. Исследовано движс/де релятивистских заряженных частиц во
внешних электромагнитных полях, обладающих некоторыми свойствами
симметрии. Найдены первые интегралы движения и получены общие ре
шения уравнений движения в квадратурах -
В частности, исследовано движение заряженных частиц в а) скрещенных электрическом и магнитном полях; б) в пространственно-периодическом магнитном поле ондуляторов, вигглеров, лазеров на сбоводных электронах и т.д.; в) в магнитном поле вблизи поверхности сверхпроводника П рода. Предсказан эффект- каналировашя в поле сверхпроводника; г) произведено разделение переменных в з.ра<
іених движения заряженной частини с учетом магнитного момента в юле, имеющем плоскость симметрии.
3. В общей виде получено решение обратной задачи об излучении точечного заряда, поззол"'отее по ияпестному пол-о излучения восстановить траектор/ч движения заряда.
1. Рассчитанн все характеристики излучения релявистского гармонического осциллятора в наиболее общем виде - когда три координаты и г.ремя горноничоски зависят от некоторого параметра. Исследовано излучение заряда, движущегося с произвольной дрейфовой скоростью и совертаччего гармонические колебания, частота которых і одном из направлений в два раза больше, чем п двух других. В частности, исследованы первче гармоники излучения ондулятора с еи-нусоицоль'нкм магнитным полем и его излучение в режиме нигглера.
5. Исследовано излучение реллтичистского заряда и пучка зяря-
кенннх чаеті'н в магнитном поле сверхпроводника II рода, находяще
гося в шубниковоП <глэе.
Найдено спектрально-угловое распределение и поляризация излучения К1 прямолинейного промежутка циклического ускорителя с уче-том основного и рассеянного полей.
6. Развита теория излучения релятивистских пучков заряженных
частиц, случайно распределенных по координатам и импульсам. Рас
смотрено соотнопение между когерентной и некогерентной частями
излучения при различных упрощающих предположениях, имеющих прак
тическое значение. Исследованн когерентные свойствя излучения сгу
стка частиц, движущихся по произвольной замкнутой траектории. По
казано, что в случае некоррелированного распределения частиц спе
ктральная плотность излучения сгустка на любой частоте не меньше
cyfeMH інтенсивностей отдельных частиц. Выявлена зависимость коге
рентных свойств ондуляторного излучения заряженных сгустков от
числа прохождений их через ондулятор.
- a -
7. Методом релятивистской полуклассичесной электродинамики проанализированы выражения для спектрально-угловрго распрєделєні и спектра синхротронного излучения и излучения произвольного ВИ1 глера с учетом аномального и нормального магнитных моментов. Выделены члены, описывающие излучение заряда, магнитного момента; члены, связанные с отдачей при излучении фотона и члены, соотве' ствуйщие интерференции полей, создаваемых зарядом и магнитным мс ментом.
Личный вклад автора состоит в постановке, решении и обсужден і большинства задач, вошедших в диссертацию. Соавторами поставлен; обратная задача электромагнитного излучения и предложен полуклш сический метод, используемый в пятой главе.
Апробация работы.Основные материалы диссертации докладывалис! на.Всесоюзной конференции "Разработка и применение электронных ускорителей" (Томск, 1975); У11Г Межвузовской конференции по олек-тронике СВЧ (Ростов-на-Дэну, 1976); семинаре по примененсто лазеров на свободных электронах (Рим, 1984); ІУ, УН, УШ и IX Всесоюс ных конференциях по физике вакуумного ультрафиолета (Ужгород, 1975; Эзерниеки, 1986; Иркутск, 1989; Томен, 1991); Всесоюзные (1984, 1986) и Международных (1988, 1990) конференциях по исполг зоБапга синхротронного излучения: СИ-84, СИ-86, СИ-88, СЯ-90 (Не восибирск, 1984, 1986, 1988; Москва, 1990); XX Всесоюзном соввше нии по физике взаимодействия частиц с кристаллами (Москва, 1990] и научных семинарах кафедры теоретической физики Московского государственного университета.
Объем и структура диссертации.Диссертация состоит из введение 5 глав, заключения и списка литературы. Содержит 239 страниц машинописного текста и б рисунков. Библиогрэфия включает 291 найг.:с нование.
