Электронный вывод излучения из лазера на свободных электронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

у \ О V"

- - пит ',995 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

СОКОЛОВ Андрей Станиславович

ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЫВОД ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ВИНОКУРОВ — кандидат физико-математических нау

Николай Александрович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ПЕСТРИКОВ — доктор физико-математических наук,

Дмитрий Васильевич ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им. Г.И.Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

БАРЫШНИКОВ — кандидат физико-математических нау

Федор Федорович Государственное предприятие ОКБ

"Гранат", г. Москва.

ВЕДУЩАЯ — ГНЦ "Курчатовский институт",

ОРГАНИЗАЦИЯ: г. Москва.

Защита диссертации состоится " " _ 1995 г.

'Улллу" часов на заседании специализированного совета Д.002. при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН":

Адрес: 630090, г. Новосибпрск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯС им. Г.И. Будкера СО РАН".

Авторе ферат разослан " Э " _ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета .

академик и Б.В. Чирик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние несколько лет во всем мире резко юзрос интерес к новому типу источников когерентного излучения — ла-ерам на свободных электронах (ЛСЭ). Принцип действия ЛСЭ осно->ан на явлении вынужденного ондуляторного излучения. Сильная зави-имость длины волны Л ондуляторного излучения от энергии электронов ъ — уте2

А ~ ¿172

й - период ондулятора) делает возможным создание ЛСЭ, работающих в [напазоне длин волн от 1 мм до 1 нм. Использование в ЛСЭ электронных [учков большой средней мощности позволит надеяться, что по средней ющности излучения ЛСЭ смогут превзойти большинство существующих лазеров. Таким образом, основными преимуществами ЛСЭ перед бычными лазерами являются перестраиваемость длины волны излуче-ия и довольно большая мощность.

Однако, одним из факторов, сдерживающих развитие ЛСЭ большой редней мощности, является ограничение внутрирезонаторной средней ющности генераторного ЛСЭ, обусловленное радиационной прочностью еркал его оптического резонатора. Выведенная из оптического резона-ора мощность лазерного излучения обычно составляет малую долю от нутрирезонаторной мощности. При использовании предлагаемого в дан-ой диссертации электронного вывода излучения мощность выведенного злучения не ограничена мощностью излучения внутри оптического ре-энатора ЛСЭ и может даже превышать ее.

Целью настоящей работы является:

— аналитическое исследование условий когерентности излучения (сохранения пространственно-временной корреляции продольной плотности) пучка электронов в двух последовательных ондуляторах, разделенных магнитной поворотной системой;

— экспериментальное наблюдение когерентности излучения электронов из двух последовательных ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом;

— аналитические расчеты полной мощности когерентного ондулятор-ного излучения электронного пучка, предварительно промодулирован-ного в задающем ЛСЭ-генераторе для "электронного" вывода излучения из ЛСЭ;

— экспериментальное исследование генерации излучения в оптическом клистроне (ОК) с конфокальным резонатором на предмет возможности создания задающего ЛСЭ-генератора с очень длинным оптическим резонатором.

Научная новизна. Предложен способ решения проблемы вывода излучения из оптического резонатора мощного ЛСЭ - электронный вывод, отличающийся наличием дополнительного ондулятора (радиатора), отделенного от основной магнитной системы задающего ЛСЭ-генератора бездисперсионной магнитной системой (ахроматическим поворотом), сохраняющей пространственно-временную корреляцию продольной плотности пучка электронов. С использованием магнитной системы оптического клистрона на накопителе электронов ВЭПП-3, предложен и осуществлен эксперимент по наблюдению взаимной когерентности излучения электронов (обусловленной сохранением пространственно-временной корреляции их продольной плотности) из двух ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом. Получены аналитические выражения, учитывающие эмиттанс и энергетический разброс, для расчета мощности когерентного ондуляторного излучения пучка электронов, предварительно промодулированного в задающем генераторном ЛСЭ. Учтено влияние конечных эмиттанса и энергетического разброса пучка электронов. Предложено использовать конфокальный резонатор в ЛСЭ-генераторе с очень длинным оптическим резонатором. В результате проведенных экспериментов по генерации излучения ОК в конфокальном оптическом резонаторе действительно наблюдалась слабая критичность генерации к угловой расстройке зеркал такого резонатора.

Практическая значимость результатов исследований. При электронном выводе излучения из генераторного ЛСЭ величина его

максимальной внутрирезонаторной мощности (ограниченная, в частно---------------

сти, радиационной прочностью зеркал его оптического резонатора) не является непосредственным ограничением полезной мощности излучения ЛСЭ. выведенного из его оптического резонатора. Полученные аналитические выражения.для когерентного ондуляторного излучения в генераторном ЛСЭ с электронным выводом для оптимизации его параметров, предложения по усовершенствованию его конструкции позволяют проектировать установки, обеспечивающие параметры излучения (длину волны, мощность, угловое распределение), подходящие для научных и технических приложений. ЛСЭ с электронным выводом излучения на строящемся в настоящее время микротроне-рекуператоре будет мощным источником когерентного инфракрасного излучения для фотохимии, молекулярной физики, разделения изотопов и т.д.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Предложен способ решения проблемы вывода излучения из оптического резонатора мощного ЛСЭ — электронный вывод, отличающийся наличием дополнительного ондулятора (радиатора), отделенного от основной магнитной системы задающего ЛСЭ-генератора бездисперсионной магнитной системой (ахроматическим поворотом), сохраняющей пространственно-временную корреляцию продольной плотности пучка электронов.

2. С использованием магнитной системы оптического клистрона на и ..опителе электронов ВЭПП-3, предложен и осуществлен эксперимент по наблюдению взаимной когерентности излучения электронов (обусловленной сохранением пространственно-временной корреляции их продольной плотности) из двух ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом.

3. Получены аналитические выражения, учитывающие эмиттанс и энергетический разброс, для расчета мощности когерентного ондуляторного излучения пучка электронов, предварительно промо-дулированного в задающем генераторном ЛСЭ. Учтено влияние конечных эмиттанса и энергетического разброса пучка электронов.

, 4. Предложено использовать конфокальный резонатор в генераторном ЛСЭ с очень длинным оптическим резонатором.. В результате проведенных экспериментов по Генерации , излучения ОК в конфокальном оптическом резонаторе действительно наблюдалась слабая критичность. генерации к угловой расстройке зеркал такого резонатора

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четыре} глав и заключения. Текст иллюстрирован 19 рисунками, список литературы включает в себя 26 наименований.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, неоднократно докладывались и обсуждались не семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах: Института ядерной физики СО РАН, Институте автоматики и электрометрии СС РАН, Институте химической кинетики и горения СО РАН, Лабораторш им.Лоуренса (Беркли, США), Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), Аргоннской национальной лаборатории (США), Брукхэй-венской, национальной лаборатории (США),, Лаборатории по. использо ванию синхротронного излучения (Франция), Институте молекулярныз наук (Япония), Исследовательском центре «Рикеп» (Япония), Японско»« институте исследований.по атомной энергии,а также на Международ ных конференциях по лазерам на свободных электронах ЕЕ1/90 (Париж ' Франция, 1990г.),ТЕЬ'92 (Кобе, Япония, 1992г.)'; В'ЕЬ'ЗЗ (Гаага, Голлан дня,-1993г.), XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных ча стиц' (Москва, 1990 г.), Советско-японских семинарах по синхротронном; излучению (Цукуба, 1991 г.; Кобе, 1991 г.), Российско-американском ра бочем совещании по передаче.энергии ЛСЭ в космос (Новосибирск; 199: г.), Всесоюзной коференции по использованию синхротронного йзлуче ния СИ-90 (Москва, 1990г.), Всероссийской коференции по использова нию синхротронного излучения СИ-94 (Новосибирск, 1994г.), Европей ской конференции по ускорителям заряженных частиц ЕРАС'94 (Лшдон Великобритания, 1994г.), Азиатском симпозиуме по лазерам на свобод ных электронах Аэ^апГЕЬ-Эб (Новосибирск, 1995г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

¡о ввсдении определяютс5гпредпосылки для использования электрон----------------

□го вывода излучения из ЛСЭ, и перечислено по главам краткое содер-:ание диссертационной работы.

В первой главе рассмотрено существование взаимной когерентноги излучения электронов из двух последовательных ондуляторов, разде-гнных ахроматическим поворотом. Рассмотрен ультрарелятивистскнй тектронный пучок, проходящий последовательно через первый ондуля-эр, магнитную систему, горизонтально отклоняющую пучок на некото-ый малый угол 0, и второй ондулятор (см. рис.1), причем нас интере->вал угол 0 больший характерной угловой расходимости ондуляторного

1 1 1 \ 1 \ 1 \ 1

3 4 5 1

Рис. 1. Схема наблюдения когерентности излучения из двух ондуля-зров: 1 - ондуляторы; 2 - отклоняющая система; 3 - экран с двумя гверстиями; 4 - обьектив; 5 - плоскость изображения середины откло-гощей системы.

шучения л/А/Ь (А - длина волны основной гармоники излучения впе-:д, Ь - длина ондулятора). В этом случае представляет интерес вопрос результате проведения опыта Юнга с отверстиями в экране, помещен->1ми на центры диаграмм направленности излучения этих ондуляторов, ри учете энергетического разбросов в пучке электронов, было получено, го видность интерференционных полос Юнга сохраняется при диспе-:ии относительного разброса энергий электронов

где q - число периодов в каждом ондуляторе; что совпадает с условие: отсутствия уширения спектра ондуляторного излучения. При учете к< нечных размеров электронного пучка и угловых разбросов в нем дл обычного (неахроматического) поворота между ондуляторами было п< лучено аналогичное ограничение сверху на дисперсию размера электро! ного пучка

сгг < 77- ,

которое вместе с очевидным ограничением на дисперсию углового ра броса

<т1, <Х/Ь

приводит к известному фундаментальному условию на горизонтально эмиттанс

€х < А/2тг.

Было показано, что для преодоления этого ограничения можно использ вать бездисперсионную (т.е. ахроматичную) магнитную отклоняющю систему. Был предложен и рассмотрен конкретный пример такой ма нитной системы.

Во второй главе описан эксперимент по реализации предложение схемы интерференции Юнга на основе уже имевшейся магнитной с стемы оптического клистрона на накопителе ВЭПП-3. Для регистращ наблюдаемых интерференционных картин использовалась как негати ная фотопленка "Микрат", так и однокоординатный прибор с зарядов« связью (ПЗС) с размером ячейки 20 мкм. На рис.2 приведены интерф ренционные картины, полученные при обычном (неахроматическом) п вороте (а), при ахроматическом повороте без компенсации задержки ( и с компенсацией задержки (с) излучения, зарегистрированные как фот пленкой, так и ПЗС. Наблюдавшиеся оптимальная величина задержк компенсировавшей расстояние между цугами излучения из двух ондул торов, а также количество интерференционных полос соответствовав ожидаемым. Таким образом, этот эксперимент подтвердил правильное теоретических рассуждений о взаимной когерентности спонтанного изл чения из двух ондуляторов, разделенных ахроматическим поворотом.

Рис. 2. Интерференционные картины, зарегистрированные с помощью однокоординатного ПЗС (слева) и фотопленки "Микрат'" (справа), юлучепные при обычном (неахроматическом) повороте (а), при ахроматическом повороте без компенсации задержки (6) и с компенсацией $адержки (с) излучения.

Втретьей главе рассмотрен электронный вывод излучения ЛСЭ когда первый по ходу пучка ондулятор является частью магнитной системы генераторного ЛСЭ (см. рис.3), т.е. находится внутри оптического резонатора ЛСЭ, и на выходе из него. электронный пучок продольно промодулирован по энергии и плотности. Далее, проходя чере-

0с1соир 1е<3 „ ///, ГК'. йиКаиоп"^

и

I / //

0

нвь АсЬгстл11с Веий

1п1гагс50га1сг \ С Ш. КаШаЦои

Рис. 3. Принципиальная схема электронного вывода излучения из ге нераторного лазера на свободных электронах.

второй ондулятор (радиатор), такой пучок будет когерентно излучать н; длине волны его продольной модуляции (длине волны задающего ЛСЭ генератора). Поместив между первым и вторым ондулятором магнитнук систему ахроматического поворота на малый угол, можно отклонить эт< когерентное излучение с оси и вывести его за пределы оптического резо натора ЛСЭ. Отметим, что в данной схеме поперечный модовый соста: внутрирезонаторного излучения ЛСЭ не влияет на угловое распределе ние выведенного излучения, поэтому здесь выглядит привлекательны» использование в задающем ЛСЭ-генераторе конфокального оптическое резонатора, что и было рассмотрено позже в четвертой главе данно: работы. В третьей же главе были рассмотрены количественные харак теристики когерентного ондуляторного излучения электронного пучка предварительно промодулированного в задающем ЛСЭ-генераторе. Был получено выражение для полной мощности когерентного излучения:

р = 12-ги,

где I - полный электрический ток пучка, 2и - эффективный имлеяан ондулятора. Для случая пренебрежимо малых поперечного эмиттанса разброса энергий и амплитуды модуляции энергий электронов в пучк получено, что

Zuo « д • 196 Ом .

ри конечной величине относительного разброса энергий электронов учка <те было получено выражение для максимально возможного им-зданса ондулятора-радиатора:

гие » 6.83/<Те Ом .

рн конечной величине поперечного эмиттанса пучка электронов е было элучено аналогичное выражение для максимально возможного импе-з.нса ондулятора-радиатора:

76.9 0*г,

Дц К с

1е А„ - период ондулятора;/?„ - согласованная бета-функция электронно пучка в ондуляторе; & = 2зг/А - пространственная частота излуче-м ЛСЭ; ^(х) « 1 при х < 1.

В четвертой главе описаны эксперименты, проведенные на накопите электронов ВЭПП-З, пег генерации излучения с длиной волны 638 нм оптическом клистроне (ОК) с симметричным конфокальным оптиче-;им резонатором длиною 18.68 м. В предыдущих работах на ВЭПП-З ) генерации излучения в ОК с близким к концентрическому оптиче-:им резонатору необходимая, точность угловой юстировки его зеркал «тавляла

60 « 3.7- Ю-6 рад .

описанных же в данной главе экспериментах наблюдалась генерация К на ВЭПП-З в конфокальных резонаторах, составленных всеми воз-эжными парами из трех.зеркал с их измеренными радиусами кривизны: 2 « 18.64 м, Лз ~ 18.70 м, Л4 & 18.55 м; и потерями на каждое отраже-1е < 1%. Эти три комбинации соответствовали устойчивому резонатору 2 — Ял, слабо неустойчивому резонатору /?2 — ^з и неустойчивому ре-натору Яз — /?4. Наблюдавшиеся угловые распределения излучения, нерпруемого ОК с конфокальным резонатором, приведены на рис.4, режиме работы ВЭПП-З с одним электронным сгустком происходит >лько одно взаимодействие электронов с излучением ОК за каждые два >охода излучения в оптическом резонаторе. Поэтому, в данном случае 1я идеального симметричного конфокального резонатора с бесконечной [ертурой условия генерации излучения ОК не зависят от настройки сведения оси электронного пучка в ОК с осью оптического резонатора, гобы проверить такое свойство наших конфокальных резонаторов, мы

а г 1

* ь

" '.С ■ ■ ш * и ^^

> --1 -- «Г " • < Я ¡»"У, ^ V * ^тГ». {, 1** 7* ^ Ч ^ -ч ^ • • ., • „ ' 1 о и Ц®^ /Щ

( в • 1

Рис. 4• Поперечные распределения излучения ОК, генерируемое неустойчивом резонаторе Яз — Я4 (а,Ь,с); в немного неустойчивом ре наторе Д2 — Дз (¿,е); в устойчивом резонаторе Дг — Я» «,./)•

блюдали генерацию OK при различной угловой расстройке заднего зер-ла резонатора вплоть до срыва генерации. Наибольшая расстройка с хранением генерации наблюдалась у немного неустойчивого резонатора ! — Лз. На рис.4с? и 4е соответственно приведены картины точно настро-ной и максимально расстроенной генераций излучения в этом резона-ре (их масштаб примерно в два раза мельче, чем у остальных картин рис.4). Здесь угловое отклонение оси оптического резонатора превы-шо угловую расходимость его основной моды примерно в четыре раза, о соответствовало максимальной расстройке зеркала

69 sw 5.9 • 10~4 рад . В заключении перечислены основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих рабо-(с:

1. Kulipanov G.N., ..., Sokolov A.S. ei al., "On mutual coherency of

spontaneous radiation from two undulators separated by achromatic bend", IEEE Journal of Quantum Electronics, 27 (12) 2566 (1991).

2. Gavrilov N.G., ..., Sokolov A.S. et al., "Observation of mutual coherency of spontaneous radiation from two undulators separated by achromatic bend", IEEE Journal of Quantum Electronics, 27 (12) 2569 (1991).

3. Gavrilov N.G., ..., Sokolov A.S. et al., "Project of CW racetrack microtron-recuperator for free-electron lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, 27 (12) 2626 (1991).

5. Pinaycv I. V., Sokolov A S., Vinokurov N.A., "Method of operative control of the radius of curvature and the reflection losses of optical cavity mirrors", Nucl. Instr. and Meth., A304 786 (1991). ). Kulipanov G.N., ..., Sokolov A.S. et al., "VEPP-3 optical klystron lasing in a confocal optical resonator", Nucl. Instr. and Meth., A331 98 (1993).

i. Erg G.I., ..., Sokolov Л.5. et al., "The project of high power free electron laser using race-track microtron-recuperator", preprint N93-75 of Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk (1995). '. Kulipanov G.N., Sokolov A.S., Vinokurov N.A., "Coherent undulator radiation of electron beam, microbunched for the FEL power out-coupling", preprint N95-52 of Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk (1995).