Генерация синхротронного излучения сильноточными электронными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-93-8

УДК 621.384.665

КАЛЧЕВ Добрин Иванов

ГЕНЕРАЦИЯ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1993

/

Работа выполнена в Лаборатории Ядерных Проблем ОИЯ1

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук профессор Э.А.Перельштейн

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Э.С.Масунов

кандидат физико-математических наук И.Н.Иванов

Ведущая организация: Московский радио-технический

институт

■ /Л - ¿>з 1993Г. В

защита состоится " /& " 1993г. в /х/ часов

на заседании специализированного совета Д-047.01.03 при ЛЯП ОИЯИ по адресу 141980, Г.Дубна, ЛЯП, ОИЯИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОШУ Автореферат разослан " ^^ " ^ 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета Д-047.01.03 при ЛЯП ОИЯИ доктор ф.м.н., профессор Ю.А.Батус!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1Ктуальность

В последнее время все больше проводится исследований, ¡освященных синхротронному излучению и разработке новых :хем генераторов когерентного излучения, использующих 1елятивистские электронные пучки. Эксперименты с :инхротронным излучением (СИ) уже дают вклад в развитие [ногих областей науки. Интенсивно развиваются многие ехнологии, основанные на использовании СИ. Источники СИ •ретьего поколения отличаются малым эмиттансом, высокой нергией и большим током пучка, а также компактными 1азмерами. Главная тенденция в развитии лазеров на :вободных электронов (ЛСЭ) на накопителях - это создание :пециализированных накопительных колец компактных размеров, . в ЛСЭ, использующих линейные пучки - увеличение плотности ; энергии электронов.

В диссертации предложена новая схема синхротронного :азера на свободных электронах, которая впервые исспользует :ногократное взаимодействие электронов кольца с озонатором. Единственная подобная модель ЛСЭ, предложеная емного позже основана на исспользовании электронного ольца компактного синхротрона. Эта модель "накопителя ютонов" находится уже на стадии осуществления.

В работе также рассмотрена задача о нахождении порога роявления когерентных эффектов в спонтанном синхротронном злучении. Ее решение должно дать ответ на вопрос об бсолютной границе по плотности пучка в ЛСЭ. Исследования огерентного СИ представляют и самостоятельный интерес и есьма актуальны в последние годы в связи с их кспериментальным подтверждением в сгруппированном пучке.

Развитие физики элементарных частиц за последующие есятилетия связано с созданием электрон-позитронных оллайдеров на средние энергии с очень высокой светимостью в-фабрики, с-Тау фабрики, Ф-фабрики). в этих ускорителях аряду с возможностью использования СИ как побочного

продукта для полезных целей, приходится учитыват нежелательные сопутствующие эффекты, такие как нагре стенок камеры и нагрузку области столкновения пучко потоками высокоэнергетичных фотонов. Для устранения эти эффектов необходимы детальные расчеты влияния СИ на ранни этапах проектирования. В диссертации проведены расчеты фон СИ в центральной области для проекта электрон-позитронног коллайдера на 2.2 Гэв (С-Тау фабрика) в Дубне и исследуютс варианты защиты центральной области ускорителя.

Цель работы - исследование актуальных вопросо синхротронного излучения плотных релятивистских электронны пучков:

о создании компактного коротковолнового источник когерентного СИ;

- о влиянии электронных корреляций на спектр спонтанного с релятивистского электронного пучка;

о практическом расчете паразитного синхротроног излучения от поворотных и фокусирующих элементо электрон-позитронного коллайдера.

Научная новизна работы:

1. Предложена новая схема мазера на свободных электронах основанная на получении индуцированного СИ от кольц релятивистских электронов. Разработана теори индуцированного излучения в однопроходном и многооборотно режимах работы мазера. На ее основе исследован характеристики и возможность практического применен« мазера и показано, что он может быть эффективен в диапазон миллиметровых и субмиллиметровых волн.

2. Впервые разработана теория излучения равновесной плазм во внешнем магнитном поле, учитывающая точно двухчастичны корреляции в движении электронов. На ее основе вычислен когерентные поправки к спектру излучения неподвижной плазы и релятивистского пучка электронов в паралельном внешне магнитном поле. Найдены границы применимости допущен!; невзаимодействующих электронов.

3. Разработан численный алгоритм, позволяющий, при заданных расположении и параметрах магнитных элементов накопителя, точно вычислить интенсивность и спектр излучения, генерируемого пучком при прохождении через них. Получены характеристики потоков СИ в центральной области симметричного электрон-позитронного коллайдера. предложены разные конфигурации защищающих от СИ масок и исследована их эффективность с точки зрения фоновой загрузки детектора.

Практическая ценность работы

1. Результаты численого моделирования генерации и распространения потоков СИ использовались при выборе геометрии камеры в месте встречи и при общем проектировании С-Тау фабрики в Дубне.

2. Результаты диссертации могут быть использованы для создания источника когерентного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне.

Апробация работы

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на Всесоюзном семинаре по квантовой оптике (Дубна, 1988г.); на Совещании по новым методам ускорения (Дубна, 1989г.); на III Европейской конференции по ускорителям частиц (Берлин, 1992г.), а также на семинарах ОНМО ОИЯИ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, приведенных в списке литературы.

Структура диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и двух приложений, общий объем составляет 95 страниц, включая 23 рисунков, список литературы насчитывает 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении формулируются основные вопросы, исследуемые в диссертации, кратко описаны методы их решения и изложены некоторые результаты исследовании.

В первой главе проводится исследование характеристик нового типа мазера на свободных электронах - синхротронного мазера. Схема мазера показана на Рис.1 - кольцо релятивистских электронов (энергия 2-5-10 МэВ, радиус от 2 до -10 см) частично погружено в поле двухзеркального резонатора Фабри-Перо; магнитное поле перпендикулярно невозмущенной траектории электрона и параллельно зеркалам резонатора. Излучение выводится через небольшое отверстие в одном из зеркалах. Второй, симметрично расположенный

резонатор, компенсирует уход центра кольца из-за потери энергии. Предлагается использовать кольца со слабой фокусировкой, например, кольца в адгезаторах коллективных ускорителей или кольца компактных синхротронов. При выборе схемы использовались две основные идеи. Первая из них - получение индуцированного излучения вблизи максимума спектра спонтанного синхротронного излучения электрона, высказана впервые в работе1? В схеме, предложенной в^линейный пучок электронов поворачивается во внешнем магнитном поле, взаимодействуя с полем резонатора. Вторая идея, это использование кольца, т.е. рециркуляцию электронного потока в небольшом объеме. Применение кольца имеет следующие преимущества: а) энергия электронов может быть увеличена при помощи бетатронного или другого способа ускорения; б) можно добиться роста КПД вследствие многократного взаимодействия каждого электрона с

^ Братман В. и др.- Релятивистская высокочастотная электроника, Горький, 1979, с.157.

зеркало

РИС. 1

полем резонатора; с) как выяснилось при расчетах, в кольцевой геометрии КПД возрастает по сравнению с КПД из1^ и на одном обороте.

При однократном прохождении электронов через резонатор (первый оборот кольца) электроны группируются на ограниченном отрезке взаимодействия I, и, под воздействием несинхронной (встречной) волны отдают энергию незамедленной волне. Оптимальные условия генерации соответствуют длине дуги взаимодействия между электроном и волной порядка длины формирования спонтанного излучения (угловой размер ~1/у), а оптимальный сдвиг электрона относительно волны по порядку равен длине волны соответствующей максимуму спектра

спонтанного излучения.

В расчетах поле резонатора описывается плоской стоячей волной с ненулевой у-компонентой вектор-потенциала ЛэхпГиС)Б1п(кх), К=и/с. Уравнения для энергетических потерь электрона Ш=1-Е/Е1 (Е и р- энергия и фаза электрона на входе в резонатор) имеют вид:

— =- ¡архз1П(<р)+(1/4 )а2В1п(2<р)} (1)

ах 1-У I >

Зх (1-V)

-- [ 1+р2х2+ осрх соз(<р) + (1/8)а2(2+соБ(2<р)\, (2)

-V)2 V )

чн^-ь^г^о; (рСх^-Е^г)^, где <р=со1-кх фаза по отношении к синхронной волне; ос=еА/тсг=0, 3 Е[МВ/см ]. А[см ]; р=(2еНог2)/(тсш)-, х=кх/(2г2); Ь /(2у2). индекс 1 означает первый оборот. Эднооборотный электронный КПД определяется выражением

1 Г2л

V (а,р,П)= <Ы> , где < > = — (1<р . (3)

* Т 2п ■'о

Уравнения (1)-(3) решались методом последовательных приближений в "линейном режиме" (а«1,ар«1)) и численно для произвольных а,р. Исследование КПД т^ и зон генерации ( областей значений параметров р,£, соответствующих самовозбуждению - они определяются неравенством I? (а,р,£л ) >0 ) показывает следующее:

1) Для малых а вблизи максимума спектра спонтанного СИ (р»4) 7}~Ю0£2.

2) По сравнению со схемой поворота линейного пучка в

кольцевой геометрии растут КПД и ширина зоны генерации. Это

объясняется тем, что в случае кольца электрон дольше

движется в области резонанса с волной х~0 (в этой области

2

мал фазовый сдвиг связанный с кривизной - мал член рх в (2) ) .

3) в нелинейном режиме оптимальные значения параметров: а=2, р=12, 1^=0,б, а соответствующий абсолютный максимум КПД 7^-307..

Численное и аналитическое «следование многооборотного движения показывает, что если условия на первом обороте соответствуют линейному режиму (а«1), то электроны в среднем отдают энергию полю резонатора (имеется индуцированное излучение) на всех последующих оборотах. Потери энергии при этом приводят к плавному сжатию кольца, длина излучаемого импульса определяется интервалом времени, за который кольцо полностью выходит из резонатора; при приросте энергии поля на обороте -17. он соствляет ~1мкс С~103 оборотов). Формула, выражающая зависимость от времени (от числа оборотов Ю многооборотного КПД имеет вид:

N

I ^("'РЛ^, (4)

1=1

где у - энергия электрона на К-ном обороте. Приведенная длина взаимодействия на ¿-том обороте ь уменьшается с ростом числа оборотов, а т)(а,р,Ь)>0 для всех 1=1,2,... При выводе формулы (4) учитывалось, что инерциально? группировкой электронов за время их движения вне резонатора можно пренебречь, т.е. распределение электронов по фазам не входе в резонатор является равномерным для всех оборотах.

Численное моделирование зависимости 01

N примерно для 10 оборотов проведено при учете нелинейных явлений группировки электронов вне резонатора. Результат подтверждает формулу (4).

б

В последнем разделе главы 1 исследуется возможность создания синхротронного мазера на основе существующих установок. Условия старта генерации (стартовое число частиц) оцениваются из условия баланса мощностей - вносимой электронами в резонатор и излучаемой). Результаты следующие:

а) Для кольца в адгезаторе (радиус 4см, число частиц 1013) возможна генерация в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн при энергиях электронов меньше 6-7 МэВ. При этом относительный прирост энергии поля на обороте составляет несколько процентов для миллиметровых и порядка 17. для субмиллиметровых волн, а требуемые добротности резонатора меньше ю5. Длина излучаемого импульса ~1мкс. При напряженности поля в резонаторе -100 кВ/см мощность излучения порядка 100 кВт.

2 )

б) В компактном синхротроне "Троль 1" ' (радиус кольца ~2см, число частиц ~ю10) возможна генерация в диапазоне миллиметровых волн. При энергии электронов ~1-2МэВ для этого требуется добротность резонатора ~Ю4-Ю5. Мощность излучения порядка нескольких кВт.

с) Для компактных синхротронов типа "АВРОРА"3^ с энергией больше 100 МэВ для генерации в субмиллиметровом диапазоне требуемая добротность резонатора превышает Юб.

Во второй главе развита теория излучения релятивистского электронного пучка во внешенем паралельном магнитном поле, учитывающая двухчастичные кореляции в движении электронов. На ее основе вычислены когерентные поправки к спектру спонтанного излучения пучка.

Корреляции в движении электронов возникают вследствие усиления междуэлектронных взаимодействий в плотном и охлажденном пучке.

В собственной системе отсчета пучка рассматривается

2)

' Панасюк B.C., Атомная энергия, т.67, в.2, 1989, с.114.

H.Yamada et al, Review of Scient. Instr.,V.60,7, 1989, p.1786.

излучение неподвижной равновесной плазмы во внешнем магнитом поле Во- Невозмущенное расспределение электронов по импульсам / (р) предполагается релятивистским максвелловским с температурой г.

Основной аналитический результат (см. ниже (10)) состоит в том, что эффекты корреляций описываются членами типа к1}<тп в выражениях для коэффициентов поглощения плазмы (здесь к - элементы тензора высокочастотной поляризуемости). В предельном случае теория дает согласие согласуется с известными результатами: из нее для малых плотностей следуют теорема Кирхгофа и известная формула для интенсивности излучения невзаимодействующих электронов.

Работая в рамках флуктуационного подхода принимаем, что излучаемые поля генерируются случайными флуктуационными токами 3(г,С), распределенными в объеме пучка. При небольших плотностях флуктуации тока в разных точках г и в разные моменты времени t статистически независимы, а излучаемая интенсивность пропорциональна общему числу электронов. отсуствие корреляций означает, что пространственные корреляционные функции токов на частоте и локальны - <],,(?') !,(?") >=(п)?., (?'-?") , а их

Ю О Г ~Т , ш

пространственые Фурье компоненты (корреляторы токов) не зависят от волнового вектора. С повышением плотности корреляции в движении электронов вызывают нелокальность функций <)з (?")>, т.е. последние уже имеют ненулевой радиус корреляций |г'-г"|. В системе пучка возникает отклонение от спонтанного излучения на длинах волн Л=2лс/и, сравнимых с этим радиусом, в то время как более короткие волны излучаются без возмущений.

Для прямоугольной области Г=Ь хЬ хХз ^-продольный к направлению излучения л размер) полученс следующее выражение для модуля вектора Пойнтинга в точке % в волновой зоне:

оь Ь в1п2((п -1)1/2)

Э =--=- йп --- О Хп) ; ь=ьш/с. (5)

и.з2_г1 , ,.2 от ' ' з з

41 с Е 4 (п -1)

Здесь коррелятор поперечных токов

Применяя флуктуационно-диссипативное соотношение

величину выражаем через елементы тензора

высокочастотной поляризуемости плазмы к^:

Ы 271 I ¡п -1-£+(п)] |л2-1-£_(п)\г I

2 2

[К -к

к11+к"+ 23 13

2 2 1+К

3 3

, / г кг -к2 -.г г к. к 2 ч 2/2

, 1 2 3 13 „ 1 3 23 I

4 21 I - 4 L ^srJ I •

Коррелятор взаимодействующих токов (6) учитывает пространственную дисперсию среды (зависимость от п). Исспользуя дисперсионное уравнение для плазмы

D(n,u) = (l+K33j[n2-l-f+(n)] [n2-l-f_(n)J=0, (7)

находим

u2TLL + (п+1 )zsinz ífn -1)1/2}

5 = -— (S +S ); S~= dn-*---t-Imf.(n).

w вя4с2Кг ü ü w J lnz-2-f+rn;| "

1 (8)

Излучательная способность плазмы (мощность, излучаемая

единичным объемом в единичном телесном угле и в единичном

интервале частот) равна

V, ~.üVs, . (9)

bj со

Выражения (8),(9) описывают излучение плазмы с учетом

взаимодействия между электронами. Из них для малых

плотностей, сохраняя в вычислениях члены до второго порядка

по к ~ ани2/ы2 « 1, получаем ij р о '

7)ы = I^Cu/c^n^u^J+n^CW/ejj + 0 ( q3) ,

10)

Первый член дает известную формулу Кирхгофа. Здесь

2 3 2

Т/8п с - распределение Рэлея-Джинса; в - угол направления излучения по отношению к постоянному магнитному

полю; п"=1т(п+) - коэффициенты поглощения; п+- корни

дисперсионного уравнения системы В(п,и)=о вычисленные из

2 2 1/2 (7) с точностью до д ; и=(4ггп е /т ) - плазменная

р оо

частота; ио=еВо/тос - циклотронная частота электронов; ^-плотность электронов.

Известное выражение для излучения невзаимодействущих электронов |<Г3р ?0(р) Р) получаем из (10) сохраняя

только члены

Коэффициент корреляции а=1-т? /т, дающий когерентные

са и

поправки к спектру спонтанного излучения т}^, иследован в собственной и лабораторной системах отсчета для разных значений параметров в собственной системе: угла в (0<е<п/2) , номера гармоники т=ц>/ц>о (т&2) температурного параметра \1=т^?/т и параметра плотности д=о)2/ш2. При этом т)ы находится из (10), а элементы п=1, ш, е, д, д) в

области т£2 находятся численно, пользуясь известным методом Трубникова. Основные результаты следующие:

1. В собственной системе в области высоких гармоник

гирочастоты (го>2) эффекты корреляции уменьшают

интенсивность спонтанного излучения (а>0). В этой области

эти эффекты подчиняются известному критерию - они возникают

на длинах волн, сравнимых с радиусом дебаевского

_1/2 1/2

экранирования: Х/2тт~г ; г =т /(ш ы ).

й <1 р

2. Из сравнения двух идеализированных случаев: излучение

невзаимодействующих электронов с поглощением волн в плазме

и излучение взаимодействующих электронов, без поглощения

волн сделан вывод, что: а) для холодных (г< 1 о~2тос2) и

плотных (и2>о2) плазм, толщиной ~ ю-юо длин волн, р о

затухание вследствие корреляционных эффектов преобладает над эффектами поглощения волн для гармоник гирочастоты оо выше 2; б) при плотности электронов плазмы меньше 1012 см"3 корреляции практически не влияют на излучение субмиллиметровых волн. Корреляционные э-ффекты проявляются при излучении миллиметровых, волн слоями плазмы тощиной в

13 - з

~ю длин волн при плотностях порядка ю см

3. Эффекты корреляции могут быть существенными при высоких

13 — 3

плотностях электронов (-10 см в лабораторной системе) для случая излучения электронных пучков с небольшими релятивистскими факторами у<10 и толщиной порядка нескольких сантиметров.

4. Путем преобразования спектра в лабораторную систему получено частотно-угловое распределение интенсивности излучения пучка с учетом корреляционных поправок.

В третьей главе проводятся расчеты фона синхротронного излучения в центральной области симметричного электрон-позитронного коллайдера (С-Тау фабрики), оценивается загрузка детектора паразитными фотонами СИ и исследованы варианы масок, защищающих точку взаимодействия (ТВ) пучков.

Потоки СИ возникают при повороте электрона (позитрона) в поле магнитных элементов, расположенных в центральной области: три квадруполя "микро-бета" вставки Q1,Q2,Q3; электростатический сепаратор ES, квадруполь Q4, поворотные магниты BV1 и BV2 (Рис.2).

В разд. 2 описана программа "SYNRAD", моделирующая генерацию и распространение потоков СИ. Программа реализована на персональном компьютере РС-386; ее расчетная часть написана на языке FORTRAN, а графические модули - на BASIC и CI. Метод моделирования состоит в следующем. Внутри вакуумной камеры задается аналитически произвольная плоскость - "плоскость отображения" (ПО). Излучение, создаваемое пучком при его прохождении через одним или нескольких магнитных элементах собирается и накапливается на ПО. В. результате получаются двухмерные распределения суммарной (от всех элементов) попадающей на ПО интенсивности (мощность или число фотонов/с) в заданном энергетическом интервале. Расположение плоскости отображения в пространстве выбирается так, чтобы она совпадала или касалась некоторых интересующих нас повехностей. В частности выбирались: стенка вакуумной

камеры, плоскость симметрии центральной области, стенка бериллиевой трубки (она отделяет объем детектора от камеры ускорителя), поверхности масок, электроды

электростатического сепаратора.

Графический модуль программы позволяет рассматривать в интерактивном режиме форму и линии уровня пятен СИ на ПО. При интегрировании по всему спектру энергий фотонов максимальное время расчета на РС-386 составляет ~ю мин.

Алгоритм проектирования излучения на плоскости отображения состоит в следующем.

На входе программы задаются: энергия пучков (2,2 ГэВ); полный ток пучка (0,6 А); горизонтальный и вертикальный эмиттансы (сх=4,1. ю"7м, еу=2.10"8м); конфигурация магнитных элементов и их параметры (силы квадруполей к и радиус кривизны в диполях р] ; расположение ПО в пространстве. Центральная (осевая) траектория и огибающие

пучка сг ( в) =Уг в , а С э) =л/с~ /3 , находятся в интервале ±15 м

К X х у у у

от ТВ с шагом см (Б-продольная координата по оси

пучка). Применяется сплайн интерполяция оптических функции

ускорителя (3 (б), ¡3 (г).

у 12

Точное вычисление интенсивности излучения попадающего в заданную точку ПО требует учета формы огибающих пучка в магнитных элементах, а также (для удаленных элементах ЕБ,04,в\71 и ВУ2) собственной угловой расходимости излучения (~1/у). Для этого пучок разбивается с малыми шагами в продольном (э) и поперечных (х,у) направлениях, а плоскость отображения разбивается в двух поперечных направлениях на прямоугольные ячейки. Излучение каждого элементарного объема пучка проектируется на ПО, учитывая угловое уширение конуса излучения в вертикальном направлении ~1/у. При этом каждой ячейке ПО сопоставляется часть общего числа фотонов, пропорциональная отношению ее площади к площади сечения (рис.3) .

Л ^СХОСШЬ 0Л!0$раЯ?Н1)Я

В конце, проводится интегрирование по объему пучка: в поперечных направлениях в интервалах £10<гх и по длине э -в пределах данного магнитного элемента.

Для проверки достоверности результатов численного расчета используются следующие критерии:

суммарная интенсивность, излучаемая данным магнитным элементом, не должна зависеть от выбора положения плоскости отображения;

- суммарная интенсивность, излучаемая квадруполем, должна быть близкой к известному оценочному значению;

плоскость отображения

Рис.3 Элементарный объем пучка и метод проектирования на

- суммарная интенсивность, излучаемая поворотным магнитом, вычисляется аналитически.

проводилось сравнение с результатами вычисления

4 ) , 5 )

аналогичных компьютерных програм " ' .

Основные результаты анализа фона СИ в отсутствии масок:

1) Максимальная поверхностная плотность СИ попадающего на стенку камеры (от магнита ВУ2) составляет 1,4 Вт/см2.

2) Максимальная поверхностная плотность СИ попадающего в области двух нижних электродов электростатического сепаратора (от магнита ВЛ71 ) составляет 0,3 Вт/см2. Если полуширина зазора между электродами равна 1см, то на каждый электрод попадет излучение с поверхностной плотностью мощности меньше 5.ю~3 Вт/см2.

3) Немаскированная бериллиевая трубка с радиусом 3,5 см засвечивается излучением от квадруполя 04 - полная (от обоих пучков) падающая мощность равна 0,8 Вт, а полное число фотонов 6,4.1016 фот./с. Спектр этого излучения намного мягче соответствующего спектра, полученного в исследованях В-фабрики, в частности полностью отсутствуют кванты с энергией 8-9 кэв (К-оболочка атомов меди). Маскирование. однако, необходимо. поскольку проходящее через трубку излучение (при использовании 25мкм Си + 1мм Ве) дает поверхностную плотность мощности на первом Бл.-слое кремниевого вершинного детектора порядка

- 9 2

критической (-10 Вт/см ).

В разд. 3.4 исследованы два варианта выбора масок, защищающих бериллиевую трубку от прямого попадания СИ: 1) короткие симметричные маски и 2) длинные асимметричные маски. Найдены мощность излучения и числа и спектр фотонов а) попадающих на поверхности масок; б) попадающих на поверхность бериллиевой трубки вследствие отражения от сторон и вершин масок; с) проникающих через трубку в

4) СЬЫЗ 91-1050, Согпе11 ипдлг.,рр.4-8.

5) БЬАС-372, 1991, р.111,

детектор. Результаты следующие:

1) Применение масок в любом из вариантов позволяет уменьшить падающую на трубку мощность до ~10~5 Вт, а числа фотонов уменьшить до -2.1012фот./с. При этом самый большой вклад в загрузку детектора отраженными фотонами дает засвечиваемая сторона дальней (по отношении к излучающему элементу) маски. Этот вклад можно уменьшить, если уменьшить угол наклона этой стороны маски (это сделано в Варианте 2). Вкладом рассеяния от вершин масок можно пренебречь.

детектор / ! /

/51 ; /ЗетеАиюр

Рис.4 Вариант 2 защиты ТВ - длинные асимметричные маски.

2) Применение длинных масок может оказаться необходимым при будущих исследований фона создаваемого рассеянными частицами, а кроме того, они защищают от излучения сверхпроводящие квадруполи 01,02,03.

Окончательно, Вариант 2 (Рис.4) представляется

предпочтительнее. В этом варианте поверхностная плотность падающей мощности на первом кремниевом слое вершинного детектора порядка ю~14 Вт/см2, что намного ниже допустимой нормы для обеспечения минимального времени жизни ~ Ю7 с. Полное число проникающих в детектор фотонов » 10б фот./с,

о

из них 1,3.10 с энергией больше 1 кэВ и около 10 с энергией больше 2 кэВ.

Предварительные условия на допустимые фоновые загрузки, принятые при проектировании детектора С-Тау фабрики ОИЯИ отвечают числам проникающих фотонов, которые

приблизительно на два порядка больше полученных здесь.

4)

Согласно результатам, полученным в , загрузка трековых камер при таком уровне фона незначительна.

Перечислим основные результаты, полученные в диссертации:

1. Предложена новая схема мазера на свободных электронах, основанная на генерации индуцированного синхротронного излучения с использованием кольца релятивистских электронов. Разработана теория индуцированного излучения в однопроходном и многооборотном режимах работы мазера. Показано, что он может быть создан на основе существующих установок (кольца в адгезаторах коллективных ускорителей и кольца компактных синхротронов) и эффективен для генерации миллиметровых и субмиллиметровых волн. Требуемые для этого параметры кольца: радиус от 2 до 10 см, энергия от 1 до 10 МэВ, полное число частиц 10ю * ю13; требуемая добротность резонатора - меньше или порядка ю5. При полном числе частиц в кольце ю12-ю13 уровень излучаемой мощности • в субмиллиметровом режиме генерации -100 кВт.

2. Показано, что при взаимодействии электронов кольца с полем резонатора Фабри-Перо, можно добиться роста КПД вследствие многократного (в течение многих оборотов) взаимодействия каждого электрона. Объяснен механизм многооборотного роста КПД - он основывается на том, что электроны полностью хаотизируются по фазам за время движения вне резонатора.

3.- Разработана теория излучения равновесной плазмы во внешнем магнитном поле, учитывающая двухчастичные корреляции в движении электронов, на ее основе вычислены когерентные поправки к спектру спонтанного излучения неподвижной плазмы и релятивистского пучка электронов в

паралельном внешнем магнитном поле. Показано, что в области высоких гармоник гярочастоты (больше 2 в собственной системе пучка) эффекты кореляции уменьшают спонтанное излучение. Найдены границы применимости модели невзаимодействующих электронов - эффекты кореляции проявляются на длинах волн, порядка или больше радиуса дебаевского экранирования. Эффекты корреляции могут быть существенными при излучении интенсивных пучков (плотность электронов ~ю13 в лабораторной системе), с небольшими релятивистскими факторами . (г<Ю) и толщиной порядка нескольких сантиметров.

4. Разработан численный алгоритм, позволяющий, при заданных расположении и параметрах магнитных элементов электронного ускорителя (или накопителя), точно вычислить интенсивность и спектр синхротронного излучения, генерируемого пучком при прохождении через них. На основе алгоритма создана быстродействующая программа, моделирующая распространение потоков СИ. Программа позволяет рассматривать в интерактивном режиме форму и линии уровня пятен СИ на произвольной плоскости внутри вакуумной камеры ускорителя.

5. Сделаны практические рекомендации по расстановке магнитооптических элементов и по выбору геометрии вакуумной камеры в центральной области с-тау фабрики с точки зрения защиты детектора от потоков СИ. Предложена конфигурация защищающих масок, обеспечивающая минимальную загруженность компонент детектора. Для этой конфигурации найдены полное число и спектр проникающих в детектор фотонов, а также поверхностная плотность мощности на первом слое вершинного детектора. Обе эти величины намного ниже допустимых норм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д.И.Калчев, э. А.Перельштейн,- Синхротронный мазер на свободных электронах, ЖТФ, т.59, в.1, 1989, с.180.

2.V.К.Antropov,V.S.Alexandrov,P.F.Beloshitsky, D.I.Kaltchev et al., The C-tau Factory Vacuum System, Proceedings of the

Workshop on JINR C-tau Factory, Dubna, 29-31 May, 1991, p.327.

3. Каляев Д.И., Перельштейн Э.А., Синхротронный мазер на свободных электронах с многократным прохождением,- в трудах семинара "Проблемы квантовой оптики", Р17-88-689, Дубна, 1988,с.59.

4. Kaltchev D.I., Perelstein Е.А., Coherent Corrections to the Synchrotron Radiation Spectrum of a Relativistic Electron Beam, Physics of Fluids B, 1992 (в печати)

5. Kaltchev D.I., Perelstein E.A., Gain Calculations for the Synchrotron Radiation Free-electron Maser, Third European Particle Accelerator Conference, Berlin, 1992, p.626.

6. V.S .Alexandrov, V.K.Antropov, P.F.Beloshitsky, D.I. Kaltchev et al., J1NR Tau-Charm Factory Study, XV Intern. Conference on High Energy Accelerators, Hamburg, 1992;

7. Д.И. Калчев, Э.А.Перельштейн, Фоновая загрузка детектора С-тау фабрики синхротронным излучением, 1992, (в печати].

8. Kaltchev D.I., Perelstein Е.А., Coherent Corrections to the Synchrotron Radiation Spectrum of a Relativistic Electron Beam, Preprint JINR, E9-92-26, 1992.

Рукопись поступила в издательский отдел 14 января 1993 года.