Введение к работе
Актуальность теми непосредственно определяется некоторыми п,ун-даментэльнш.ш и прикладными задачами современной физики, к числу которых относятся сиро полония связи мекдз структурой ороїш и oiuu;-тром излучения быстрых частиц, взаимодействующих о но/!, и тг.кхо сознание на этой основа мощных перестраиваемых источников электромагнитного излучения различного частотного диапазона,
К настоящему времени существует целый" ряд летально разработанных механизмов излучения бистрих частій; в сроив. Это излучение Ва~ вилова-1'орснкова, переходное излучение, тормозное излечение, поляризационное тормозное излучение (ffili). їиорня ПТі; в настоящее прети интенсивно развивается Ген. коллективную монограми под реп. Lluvo-вича В.Н., Ойрингаля 1I.H. "Поляризационное тормозное излучение частій; и атомов". - И. Наука, І9Я7. SK5 сЛ. При зтогї основное ы;ш,:а-нно в теории Ш'ії уделялось элементарным процессам - излучений при взашоиоіістЕ.П! различных чнетпц о етсмон, атома о атомом л т. я. При взаимодействии частішії со срелой ь налом, оОллишлщоЛ более сложными элоктрогинамическимн евонотвпні;, чем отдельный" атом, возможен вяп новга о Мл кто б отсутствующих »"злсі.:(інтнрініх нроцаосах. Например - нетривиальное взаимоцгтотвло Черепковского н лоліфнзацп-оііиого механизмов излучения [й 1. Лоолопояапио ПІЛ в различных сре~ лп>:, в тог.; числе с макроскопическими нооинеропвоотямл плотности пропзтгцчггея В ЫасТОЫНПН ЬПС^орТГЛЛГ!.
Теория когерентного тормозного излучения в оредах, обладающих строго упорядоченной структурой, также интенсивно развивается! Ба- . знлев В.А., Жеваго Н.К. Излучение быстрых частиц в вещества и во внешних полях. ЧЛ.: Наука. 1987. - 272 о7]. В настоящей диссертации показано, что когерентное тормозное излучение может интегрироваться и в случайно неоднородных срэдах, а также получены условия, которым должна удовлетворять корреляционная функция плотности среды, чтобы интенсивность когерентного тормозного излучения имела заметную величину Г4І. Такая ситуация реализуетоя, например, при распространении потока чаотиц в плазменном канале в турбулентной плазме.
Успехи в экспериментах по созданию лазера на свободных електронах (ЛСЭ) сделали актуальным рассмотрение пространственной (трехмерной) структуры электромагнитного поля в подобном лазере. Трехмерная теория в отличие от первоначально разработанной одномерной Гмаршалл Т. Лазеры на свободных электронах. М.: Наука 1987, 240 оЛ позволяет определить такие важные характеристики лазера как ширина и угловая расходимооть лазерного пучка. Разработка трехмерной теории ЛСЭ, таким образом, представляет не только теоретический, но и непосредственный практический интерес.
Цель Работы:
развить микроскопический квантовый и классический подход для расчета ПТИ в ореде;
раоочитать спектр ПТИ при наличии в среде Черенковского излучения;
исследовать влияние магнитного поля в плазме на интенсивность ПТИ;
выяснять возможность и условия генерации когерентного тормозного излучения в средах оо случайными неоднородностями, вычислить спектры такого излучения;
рассмотреть когерентные эффекты в ПТИ, в том числе и в диапазоне частот, где диэлектрическая проницаемость превышает единицу;
- получить оиотему уравнений для определения пространственной отрук-
туры электромагнитного поля в ЛСЭ, учитывающую кулоновское взаи
модействие элвктронов в пучке и изгибание электронного пучка в
ондуляторе. Построить простые аналитические решения системы, произвести на их основе качественное исследование волнового поля и оценить ширину и угловую расходимооть лазерного пучка для различ- ' ных режимов работы ЛСЭ.
Матодика.исследования. Основные результаты диссертации лолучо-ны на основании последовательного квангоэлактродиначнчвекого микроскопического рассмотрения с последующим усреднением итоговых величин по распре деланию частиц в среде. При расчета эффектов взаимодействия электромагнитного поля с веществом учитывалась ро/а. всех существенных для рассматриваемой задачи стопоней свободы сродн, а также се влияние на электромагнитное пола.
Научная новизна. В диссертации построена микроскопическая теория переходного тормозного излучения быстрой частицы в.сропп, которая позволяет выразить интенсивность излучения через стандартные электродинамические функции среды - операторы электропроводности, а также через корреляционную функцию плотности частиц сраші. О помощью построенной теории предсказан ряд новых эсМяктов: увеличение интенсивности ПТИ на 1-2 порядка при наличии в среда эффекта Вавилова-Черанкова; подавление ПТК в магнитоактивной плазме; увеличение интенсивности когерентного поляризационного излучзния в среда с ноод-нородностями (переходного рассеяния) при наличші эффекта Вавилопа-Черонкова.
Доказана теоретически возможность гонерации когерентного тормозного излучения в средах со случавшей нооднородностями плотности. Для этого необходима существенная анизотропия коррелятора плотности чаепщ среды.
Выведена система уравнении для определения пространственной структуры г^'пктромапштного поля в ЛСЭ, учитывающая кулоновскоо езэ-имодействие электронов в пучка. Показано, что в точном аналатичеоком решении системы мокно выделить собственные электромагнитные моды электронного пучка, обладающие постоянной имриной. и дифракпионноо расплывающееся пятно излучения. В предыдущих работах кулоновскоо взаимодействие не учитывалось-, решения системи отроились приближенными методами.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при расчетах интенсивности излучения релятивистских чаотпи; в сроде, для объяснения экспериментальных рапных, для определения ак~ ршш и угловол расходимости лазерного пучка при работе ЛСЭ в различных режимах.
I. Квантовая и классическая микроскопические тоорип поляризації--
ошюго тормозного излучения борновской частіша в вещества, в которых спектральная интенсивность излучения выражена через оператори электропроводности среды (квантовш'1 случай) или через корреляционную функции плотности среды (классический случай).
2. Ряд новых эффектов в 11ТИ, получению: на основе построенной теории: увеличение интенсивности іізкогерентного и когерентного (при наличии в среде макронводворолностей) поляризационного излучения в условиях эффекта Бавнлова-ЧиренкоЕа, Выражение для интенсивности ПТИ в этом случае помимо ранее известного логарифмического вклада соирчлт пополнительное слагаемое, не оодержащее логарифма и при определенных условиях превосходящее логарифмический вклад.
Подавление интоноивнооти ПТИ и изменение формы спектра в плазме о еильншл магнш'нкм полам.
S. Доказательство существования когерентного тормозного излучения б средах со случайнійіи шоднородностями плотности. Когерентное тормозное излучение шлеот заметную величину, если коррелятор плотно-cmr. частиц среды сильно анизотропен по отношению к направлению скорости быстрой частицы. Такой случай реализуется при распространении пучка чаотщ в плазменном канале в турбулентной плазме. Для сильно релятивистских электронов, когерентное тормозное излучение в плазменном кашле будет являтьоя основным механизмом излучения в определенном частотном диапазона.
-
Сиотема интагро-диффоренциальных уравнений для определения пространственной" структуры электромагнитного поля в ЛОЗ, учитывающая кулоноБокоа взаимодействие электронов в пучке и изгибание электронного пучка в ондуляторе. Запись системы в матричной форма, удобной для работы с ЭВМ,
-
Нахождение точных аналитические решений системы, представление поля в ЛСЭ в виде набора собственных электромагнитных мод электронного пучка, обладающих постоянной шириной и расплывающейся дифракционной составляющей. Вывод простых соотношений, позволявших
* оценить ширину и инкремент нарастания мод, и учесть по теории возму-. щений влияние изгибания электронного пучка на эти величины.
Достоверность.полученных результатов обеспечивается корректным применением методов квантовой и классической электродинамики и кинетической теории для описания взаимодействия релятивистской частицы о электромагнитным полем и веществом, анализом известных продельных случаов, а їакже сравнением части результатов о данными эксперимента, 4
Апробация. Материалы диссертации докладкЕплирь на ХУІ п ХГХ Воосоюзшіх совещаниях по физика взаимодействия заряженных -частиц с кристаллами (Москва, 1986,1989), на У Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент,1989), а также па семинарах в чЖН СССР, ЗГИ АН СССР им.Л.^.Ко-Ма., ГиИ им.С.И.Вавилова, ЛПИ им.М.И.Калинина.
Публикации. Основина результаты диссертации опубликована в девяти научных работах.
Объем н структура работп. Диссертация состоит из вводятся,трех глав, заключения, о гаї ого приложения, списка лптпратурц из 66 наименований и рисунков. Общий объем работа 159 отранлц, из них 9 страниц составляют прилокония, список литературы и рисунки.
