Процессы когерентного и некогерентного излучения в новейших источниках мощного электромагнитного излучения

Поиск новых мощных источниковпектромн! ни гного излучения занимает умы исследователей с iex пор. как была поел роена с тройная теория электромагнитного взаимодействия частиц в веществе (в различных полях). Интерес к таким исследованиям вызван тем фактом, что источники мощного высокоэнергетичного излучения являются одними из наиболее эффективных инструментов изучения материи, причем размер изучаемых объектов напрямую зависит от длины волны излучения.

В основе современных источников мощного электромагнитного излучения лежит движение легких заряженных релятивистских частиц в электромагнитных полях различной конфш рации. Первым реальным песочником такого излучения бы i синхротрон. Увеличение мощности излучения может быть достигнуто в ондуляторах, где на смену синхротронному излучению (СИ) приходит ондуляторное излучение (ОН). По своей природе СИ и ОИ являются магнитотормозными. однако спектр излучения имеют совершенно различный. Главным образом это связанно с траекторией частицы: в синхротроне заряд движется по круговой макроскопической орбите, а в ондуляторе совершает малые быстрые осцилляции, перпендикулярные направлению релятивистского движения под действием периодического магнитного поля ондулятора. След>ет заметить, что и в вштлерс (аналог ондулятора) траектория частицы представляет собой периодическую в перпендикулярном направлении функцию (««змейка»). Различие между ондулятором и вштлером заключается в амплитуд? колебаний заряженной частицы. Амплитуда колебаний в вштлере больше, чем в ондуляторе, поэтому электромагнитное излучение частицы, движущейся в ондуляторе обладает большей слепенью когерентности.

Следующим этапом развития источников мощного излучения стали лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В основе ЛСЭ лежит ондуляторнос излучение, а принципиальная схема работы аналогична обычным лазерам. Высокая когерентность излучения пучка электронов в ЛСЭ достигается за счет разбиения пучка на более короткие бапчи (мпкробапчи) под действием поля электромагнитной волны, заключенной между двумя зеркалами, в ондуляторе. Это приводит к увеличению структурного фактора пучка и. тем самым, к увеличению вклада когерентных процессов излучения В отличие 01 обычных лазеров, часнма излучения коюрых строю фиксирована. в ЛСЭ частота pciy шруегся энергией элекфоппел о пучка, яв 1яюще-гося рабочим телом ЛСЭ. Возможность перестраивать частоту излучения является главным преимуществом ЛСЭ перед обычными лазерами, частота излучения которых определяется частотой переходов между энергетическими уровнями электронов в атомах. Современным установкам ЛСЭ уже доступна область мягкого рентгена, однако, для столь высоких энергий фотонов не существует достаточно эффективных зеркал, необходимых для создания резонаторов. По этой причине большое внимание уделяется однопроходному режим самоусп 1еппя спонтанного ns учения SASE (Self Amplified Spontaneous Emission) Суть метода SASE заключается в том. что излученная электроном в ондуляторе электромагнитная волна взаимодействует с электроном, вошедшим в ондулятор ранее в результате чего часть электронов немного замедляется, а др1ая часть немного ускоряется. Таким образом, происходит микробанчиванис исходного пучка электронов на более короткие, отстоящие друг от друга на длину волны генерируемого излучения. Такая периодическая структура приводит к тому, что в интенсивность излучения микробапчей основной вклад вносят конкретные процессы, тем самым увеличивая интенсивность излучения. Увеличение интенсивности в зависимости от пройденного пучком расстояния происходит по экспоненциальному закону [1−14] Однако дтя формирования микробапчей требуется некоюрое время, п. как выясни юс ь. образуется всею несколько первых микробанчей.

В силу чего возник вопрос о разбиении на мпкробапчи пучка э юктро-нов до входа в ондулятор. Одним из решений этой проблемы является использование затравочных (параметрических) ЛСЭ [16. 16]. Такое решение является недешевым, в связи с чем альтернативные методы решения этой проблемы являются па сегодняшний день довольно актуальными. Несмотря на достигнутые успехи в получении пучков электронов с хорошим эмш-тансом, необходимым для работы ЛСЭ. а именно, для увеличения вклада в излучение когерентных процессов, остаются плохо изученными процессы, происходящие в момент генерации и формирования электронных пучков в околокатодпой области. В частности, изучением вопроса о формировании электронных пучков в момен т генерации под действием лазера занимается эксперимент COMB реализуемый в рамках проекта SPARCLAB в Национальном институте ядерной физики (Фраскати. Италия). Понятно. чп> образующаяся суперпозиция падающей и отраженной от поверхности катода электромагнитных волн и постоянного ускоряющего поля будет влиять на структуру электронного пучка и приводить к его модуляции. Анализ когерентного движения пучка электронов в таком поле показывает, что при определенном соотношении параметров полей возможно образование каналов, представляющих собой эффективные периодические потенциалы, способные захватывать (удерживать в связанном состоянии) электроны. Посредствам таких каналов можно управлять пучками захваченных электронов. Одно пз самых примечательных свойств 1аких каналов заключается в возможности изменения глубины потенциальных ям. а также создания каналов различной геометрии.

Еще одним интересным направлением получения излучения высокой энергии и интенсивности, а также компактных модулированных пучков электронов, являются процессы взаимодействия мощных ультракоротких лазерных импульсов с плазмой. Одна из особенностей таких взаимодействий заключается в том, что за счет большого градиента поля лазерного импульса электроны плазмы могут ускоряться до ультрарелятивпстских энергий на очень малых расстояниях. При таком взаимодействии за лазерным импульсом образуется полость, свободная от плазменных электронов и способная захватывать ускоренные лазерным импульсом электроны, образуя тем самым плотный пучок релятивистских электронов [17−26]. Интересно отметить, что в лаком понно-плазменном канале захваченные электроны будут еще п ускоряться под дейслвпем поля ионной полосш. Изучению процессов протекающих в плазме при взаимодействии мощных ультракоротких импульсов с плазмой посвящен эксперимент PLASMONX, также проводимый в рамках проекта SPARCLAB [27]. Важно, что при определенной температуре захватываемого пучка электронов происходит модуляция пучка по плотности в фазовом пространстве, что б>дет влиять на процессы когерентного и некогерентного излучения захватываемого пучка.

Цель работы.

Целью настоящей дпссерпщпп яв щ. юсь проведение ieopei ического исследования процессов, происходящих с пучком электронов в момент генерации под действием лазера в фотоинжекторе машины SPARC, для определения возможности формирования модулированных в пространстве пучков электронов непосредственно в момент их генерации: показать, что возможно образование каналов при когерентном движении ультрарслятивист-ских пучков электронов в поле скрещенных электромагнитных волн. И также исследования когерентных и некогерентных процессов, протекающих с пучком электронов, захваченных ионной полостью (иоппо-илазмеппым каналом), образованной мощным ультракоротким лазерным импульсом. Поставлены следующие задачи:

Изучить возможность формирования модулнрованого пучка электронов непосредственно в момент генерации электронного пучка под депечвисы поля лазера в ВЧ пушке фотоинжектора машины SPARC. Найти спектральное распределение электромагнитного излучения пучка электронов в момент генерации.

Развить теорию захвата электрона полем электромагнитной волны. распространяющейся в планарном и круглом волноводе — образование каналов, и рассмотреть возможность фокусировки пучков электронов полем таких каналов.

Определить пределы применимости классической физики при описании процесса движения электрона в ионном канале, образованном мощным ультракоротким лазерным импульсом. Рассмотреть кинетику процессов, происходящих с пучком электронов в ионном канале.

Научная новизна результатов.

1) Рассмотрена динамика и излучение пучка фотоэлектронов в полях скрещенных лазерных воли и постоянном электрическом поле, впервые показана, возможность модуляции электронного пучка в момент его генерации.

2) Развита теория захвата релятивистского пучка электронов в каналы, образованные лазерной волной распространяющейся в планарном и к р у г л о м в о л i ю в од ах.

3) Впервые определен предел классического описания движения электрона в понно-плазменном канале, образованном мощным ультракоротким лазерным импульсом. Найдена, аналитическая функция распределения пучка электронов в ионном канале в пренебрежении взаимодействием электронов между собой.

4) Обобщен метод Капицы, описывающий движение частицы в быстро осциллирующем поле на случай ультрарелятивистских частиц, движущихся в поле скрещенных электромагнитных вол п.

Научно — практическая ценность работы.

Результаты, полученные в диссертации, используются для подготовки и проведения экспериментов COMB и PLASMONX в Национальной Лаборатории Фраскати (LNF).

Достоверность научных выводов и результатов.

Достоверность сформулированных в диссертации положений и выводов подтверждается согласием полученных результатов с результатами других авторов (в предельных случаях), а также согласием с численным анализом и численными моделями, построенными с использованием системы MATLAB и кода KARAT.

Личный вклад соискателя.

В работах, выполненных в соавторстве, соискателем проделаны все аналитические расчеты. Соискатель принимал активное участие в численном анализе и построении численных моделей. Принимал активное участие в обсуждении результатов работы. Все основные результаты получены. шчпо автором.

Апробация работы.

Результаты работы обс ждались па семинарах LNF и ФПАН. а 'также докладывались па следующих конференциях.

1. The VIII International Symposium «Radiation hoin Relativistic Electrons in Periodic Structures» ', Moscow region. Russia. September 7−11. 2009.

2. «Channeling 2010» 4th International Conference «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» '. Ferrara. Italy. October 3 — 8. 2010.

3. «Channeling 2012» 5th International Conference «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena», Alghero. Italy. September 23−28. 2012.

Публикации.

1) A.S. Podlesnaya. AY Dik. SB Dabagov. M Fenano. '" Spectial Distribution of SPARC Photoinjeetor elections" Nuovo Cimento. Y. 34C (2011) 359: DOI: l ().1393/ncc/ i2011;10 964−0:

2) A.S. Podlesnaya, A.V. Dik, S.B. Dabagov, M Feirario. «On electron beam motion near the SPARC photoinjeetor cathode» ', .Joinnal of Physics: CS. V. 236 (2010) 12 035; DOI: 10.1088/1742−6590/230>1 /12 035;

3) A.B. Дик, С. Б. Дабагов, «Функция распределения электронов захваченных ионным каналом». Известия ВУЗов. Физика: Л" °12, 77 (2012):

4) А. В. Дик. С. Б. Дабагов. «Функция распределенияпектронов в ионном канале». Препринт ФИАН °-7. 15(2012);

5) А.13. Дик, Е П. Фролов. С. Б Дабагов. «Каналпрование свободною электрона в поле лазерной волны». Препринт ФИАН Y°15. 16(2012):

6) A.V. Dik, A.Z. Ligidov. S.B. Dabagov. «Radiation by electrons channeled in a plasma-ion cavity» '. Nuclear Instruments and Methods. Section B. 2013. doi: http dx.doi.org 10.101G j.niinb.2013.03.04 (принято в печать).

7) A.V. Dik. E.N. Frolov. S.B. Dabagov. «Dynamics of electrons acceleration in presents of crossed laser field», Nuclear Instruments and Methods. Section B, 2013, doi: http//dx.doi.org/10.1016,/j.nimb. 2013.03.17 (принято в печать).

Краткое содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Диссертация содержит 113 страниц, включая рисунки и список использованной литературы. Диссертация содержит 36 рисунков, список литературы из 119 наименований.

Заключение

.

Современные источники мощного электромагнитного излучения вплотную подошли к рентгеновскому и гамма — диапазону. Увеличение мощности в современных источниках электромагнитного излучении возможно за счет доминирования когерентных процессов излучения над некогерентными. На сегодняшний день ЛСЭ являются одними из самых эффективных источников излучения наряду с СИ и излучением заряженных частиц в кристаллах. Для успешной работы ЛСЭ в выше указаном диапазоне частот необходимы нромодулированые в пространстве электронные пучки, получение таких пучков является приоритетной задачей. Другим новейшим источником излучения и пучков электронов является процесс взаимодействия мощных ультракоротких лазерных импульсов с плазмой, активно изучаемый в настоящее время.

Представленная работа посвящена теоретическому анализу процессов, происходящих в экспериментах COMB и PLASMONX. проводимых в рамках проекта SPARCLAB в Национальном инстлггуте ядерной физики (Фраскати, Италия). Оба эксперимента посвящены новейшим мощным источникам электромагнитного излучения, в которых увеличение интенсивности излучения достигается за счет доминирования когерентных процессов. Для работы ЛСЭ необходимы пучки электронов с хорошим эмиттансом, эксперимент COMB посвящен диагностике пучков используемых для работы ЛСЭ.

В представленной работе был рассмотрен качественный процесс генерации и формирования пучка электронов в фотопнжекторе машины SPARC под действием поля лазера. Показаны основные процессы влияющие на характеристики пучка в момент его генерации, получена функция распределения электронов в пространстве. Показано, чго распределение пучка электронов в поперечном сечении имеет форму профиля лазерного импульса, под действием которого происходит процесс фотоэффекта.

Рассмотрена задача о модуляции пучка невзаимодействующих между собой электронов иод действием поля лазера в прикатодпой области фотоинжектора машины SPARC. Показано, что под действием лазерного поля и постоянного ускоряющего поля происходит продольная модуляция электронного пучка в соответствии с продольной длиной волны лазерного излучения. В работе показано, что за модуляцию пучка ответственна постоянная скорость дрейфа, которую электроны получают от электромагнитных волн, а действие сил Миллера-Гапонова пренебрежимо мало для полей, используемых в эксперименте SPARC. Посчитано спектральное распределение излучения пучка электронов в прикатодной области инжектора, рассмотрены случаи различных коэффициентов отражения лазера от поверхности фотокатода.

В работе впервые проанализирована динамика движения электрона в поле двух скрещенных электромагнитных волн. Было показано, что поле скрещенных электромагнитных волн может образовывать стоячие волны, представляющие собой некий эффективный потенциал, формирующий пространственные канаты. Эти каналы могут захватывать заряженные частицы при выполнении определенных условий захвата. Глубина каналов может достигать значений AU ~ 102 эВ. что сравнимо с глубиной канатов в кристаллах. Потому связанное движение в таких каналах, по аналогии с каналированием в кристаллах, может быть описано в рамках новой теории каналирования в поле стоячей лазерной волны. Похожая форма эффективного потенциала образуется при движении электрона в поле электромагнитной волны, распространяющейся в планарном и цилиндрическом волноводах. В отличии от планарного волновода, в котором движение частицы свободно в 2-х измерениях, эффективный потенциал, образованный в цилиндрическом волноводе, представляет собой набор коаксиальных цилипдрических каналов, и может быть использован для управления и фокусировки пучков электронов. Изогнутые цилиндрические волноводы подобны изогнутым кристаллам, потому могут эффективно отклонять пучки. Такие каналы обладают рядом преимуществ перед канатами в кристаллах. Каналами, образованными стоячими электромагнитными волнами, можно управлять как по глубине, так и по геометрии. Более гого. при капа, ш-ровапии заряженных частиц в поле стоячих лазерных волн не происходит нсупругих процессов рассеяния как на узлах кристаллических решеток в кристаллах.

Другим методом получения плотных электронных пучков, а также интенсивного высокоэнергетического излучения является процесс взаимодействия мощного ультракороткого лазерного импульса с веществом, исследуемый в эксперименте РЬАБМСЖХ. При таком взаимодействии мы получаем плазму, и за лазерным импульсом образуется полость, свободная от плазменных электронов и способная захватывать переферпйпые плазменные электроны, ускоренные лазером до высоких скоростей. Если пренебречь ускорением электрона под действием поля ионной полости, то полость становится бесконечным ионным каналом, в котором движется пучок электронов. Нами была рассмотрена задача о движении и излучении электрона в таком ионном канале. В приближении скалярной частицы была выведена формула для ширины энергетических уровней, и тем самым, впервые определен предел применимости классической физики для описания движения электрона в ионном канале. Напомним, что данные процессы описаны в литературе лишь классически. Анализ выражения для ширины энергетических уровней показал, что движение электрона с поперечной энергией до Е±- ~ ЗО/к^и ~ 1()~2 эВ является квантовым. В основном электроны, захваченные ионной полостью совершают колебания с большой амплитудой и, соответственно, имеют поперечную энергию много больше 10~2 эВ, поэтому процессы движения и электромагнитного излучений, протекающие с ними, могут быть описаны в рамках классической физики.

Также была найдена функция распределения в фазовом пространстве невзаимодействующих между собой электронов, захватываемых ионным каналом. Показано, что взаимодействие электронов между собой может быть учтено в рамках теории возмущений. Кинетическое описание процессов, происходящих с электронным пучком, захватываемым ионной полостью, показало, что на когерентные и некогерентные процессы излучения будут оказывать основное влияние начальные условия захвата электронов каналом.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору С. Б. Дабаюву за помощь и внимание к работе, Е. Г. Бессонову за внимательное прочтение диссертации и полезные советы и рекомендации. Также хочу поблагодарить Лигидова А. З., Бабаева A.A., Богданова О. В. за внимание к работе и обсуждения решаемых задач. Особо благодарен Фролову E.H. за помощь в оформлении диссертации и конструктивные обсуждения.

Мне также хотелось отметить поддержку моих исследований руководством ФИАН и LNF INFN. без которой было бы невозможно выполнение поставленных передо мной задач и представление резчльтатов кандидатской диссертации на различных международных конференциях.