Когерентное магнитотормозное излучение релятивистских электронных потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СПОНТАННОЕ И ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ /обзор литературы/

§ I.I. Теория спонтанного излучения релятивистских заряженных частиц

§ 1.2. Основные экспериментальные результаты по спонтанному излучению релятивистских заряженных частиц

§ 1.3. Теория индуцированного излучения релятивистских электронных потоков

§ 1.4. Основные экспериментальные результаты по индуцированному излучению релятивистских электронных потоков

Шводы.

ГЛАВА П. ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНЫХ СТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЯХ.

§ 2.1. Постановка задачи.

§ 2.2. Теория индуцированного синхротронного излучения

§ 2.3. Индуцированное взаимодействие электронного потока с электромагнитным излучением в близких по величине скрещенных электрическом и магнитном полях.

Шводы.

глава ш. численное моделирование физических процессов в релятивистских электронных потоках, движущихся в свободном пространстве;

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Швод рабочих уравнений.

§ 3.3. Методика численного решения.

§ 3.4. Контрольные расчеты.

ГЛАВА 1У. ТЕОРИЯ МНОГОВОЛНОВОГО СИНХР0ТР0НН0Г0 УСИЛИТЕЛЯ.

§ 4.1. Постановка задачи.

§ 4.2. Результаты численного анализа.

§ 4.3. Когерентное магнитодрейфовое излучение релятивистского электронного потока .ИЗ

Выводы.

ГЛАВА У. КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОТОКОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ.

§ 5.1. Постановка задачи.

§ 5.2. Когерентное многоволновое излучение потоков релятивистских циклотронных осцилляторов

§ 5.3. Когерентное излучение релятивистского электронного потока в ондуляторе.

Выводы.

К настоящему времени достигнуты значительные успехи в области экспериментальной реализации и практического использования в различных областях науки и техники мощных источников СВЧ излучения на релятивистских электронных потоках. Проблема повышения частоты и мощности излучения таких устройств привлекает внимание в связи со многими возможными приложениями. Одними из наиболее перспективных устройств для этой цели являются мазеры и лазеры на свободных электронах, в которых используются релятивистские эффекты увеличения частоты излучения зарядов, движущихся со скоростями, близкими к скоростям света. Работа большого числа из них основана на тормозном излучении электронов, возникающем при их криволинейном движении в магнитных полях различной, конфигурации. Такие механизмы наиболее перспективны для генерации мощного когерентного излучения в коротковолновых диапазонах, поскольку для их реализации не требуется наличие каких-либо электродинамических систем в непосредственной близости от электронного потока. Они также позволяют легко осуществлять переход к пространственно развитому взаимодействию потока и поля, необходимому для получения сверхбольших мощностей и энергий выходного излучения.

В нерелятивистской электронике больших мощностей примером генераторов на тормозном излучении электронов, движущихся в однородном магнитном поле, являются хорошо зарекомендовавшие себя гиротроны, в которых используется резонанс циклотронных осцилляции электронов с полем волноведущей электродинамической системы вблизи ее критической частоты. При переходе к релятивистским пучкам и увеличении их тока эффективность работы гиро-тронов из-за нелинейных эурфектов падает. Структура поля становится нефиксированной, появляется генерация на паразитных модах, что, в целом, приводит к снижению выходной мощности. Для дальнейшего увеличения генерируемой мощности и энергии необходима разработка специальных способов организации когерентного излучения электронных, потоков. Эти способы должны быть согласованы со свойствами излучения релятивистских зарядов - диаграммой направленности, спектром и т.д. Исследование таких свойств коллективного излучения служит предметом рассмотрения в диссертации.

Коллективное когерентное излучение релятивистских электронных потоков наиболее естественно реализуется в многоволновых усилителях. Многоволновость, т.е. одновременное взаимодействие электронного пучка с целым пространственным спектром электромагнитных волн на фиксированной частоте, позволяет в значительной, степени снять проблему селекции мод и нужным образом концентрировать электромагнитные поля как в самом устройстве, так и в окружающем пространстве, например, формируя заданную диаграмму направленности.

В диссертации рассматриваются процессы в многоволновых усилителях на магнитотормозном излучении релятивистских электронных потоков. Специфика исследований при этом состоит в изучении процессов коллективного излучения при нефиксированной структуре поля в свободном пространстве /однородной среде/. Уточняются также некоторые результаты теории индуцированного синхротронного излучения.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработанный метод анализа коллективного взаимодействия электронных потоков с электромагнитным полем в свободном пространстве, основанный на использовании спектрального разложения запаздывающих потенциалов, позволяет исследовать физические процессы при коллективном магнитотормозном излучении в различных системах с учетом кулоновского и магнитного поля потока .

2. Разработанный метод исследования процессов индуцированного излучения при произвольной функции распределения излучающих частиц по временам жизни использован для анализа индуцированного синхротронного излучения в случае характерной для реальных устройств "ГГ-образной функции распределения. Показано, что при оптимальной расстройке частоты падающей волны относительно резонансного значения возможно эффективное индуцированное синхротронное излучение на гармониках циклотронной частоты, соответствующих максимуму спонтанного излучения.

3. Индуцированное излучение электронов в близких по величине скрещенных однородных электрическом и магнитном полях в свободном пространстве может обеспечить высокую эффективность преобразования потенциальной энергии электронов в энергию высокочастотного электромагнитного поля.

4. Обнаружено, что в многоволновом усилителе на коллективном синхротронном излучении особенности группировки потока могут приводить к существенному отличию угловых и спектральных характеристик коллективного излучения от соответствующих характеристик как спонтанного, так и индуцированного синхротронного излучения.

5. Показана возможность увеличения интенсивности когерентного магнитодрейфового излучения в условиях его резонанса с циклотронным излучением.

6. Показано, что с помощью потока релятивистских электронных осцилляторов, движущихся в однородном продольном магнитном поле или пространственно периодическом поперечном поле магнитного ондулятора, возможна реализация высокоэффективного многоволнового усиления электромагнитного излучения. Характерной особенностью таких систем является наличие узкой диаграммы направленности выходного излучения, зависящей от геометрических параметров релятивистского пучка и энергии электронов.

7. Высокая эффективность многоволновых устройств обеспечивается возможностью синхронизма электронов с различными угловыми компонентами поля излучения на различных участках траектории при значительном изменении их кинетической энергии.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям - Василию Ивановичу Канавцу и Владимиру Алексеевичу Черепенину за постоянное внимание, неоценимую помощь и содействие при выполнении работы.

Влражаю признательность сотрудникам группы нелинейной электроники кафедры радиофизики СВЧ физического факультета МГУ за участие, поддержку и помощь.

- 152 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Москва: Наука, 1973.

2. Тернов И.М., Михайлин В.В., Халилов В.Р. Синхротронное излучение и его применения. Москва: МГУ, 1980.

3. Синхротронное излучение/ Под ред. Соколова А.А., Тернова И.М. Москва: Наука, 1966.

4. Болотовский Б.М. Путь формирования и его роль в излучении движущихся зарядов. Труда ФИАН, т. 140, Москва: Наука, 1982, с. 95-140.

5. Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. Москва: Наука, 1981.

6. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника. Харьков: Вища школа, 1976.

7. Канавец В.И., Сандалов А.Н., Черепенин В.А. Дифракционное излучение релятивистского поливинтового потока. Письма в Ш, 1977, 3, 13, с. 607-611.

8. Железняков В.В. Электромагнитные волны в космической плазме. МоскЕа: Наука, 1977.

9. Файн В.М., Ханин Я.И. Квантовая радиофизика. Москва: Сов. радио, 1965.

10. Гинзбург В.Л., Франк И.М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающеее при его переходе из одной среды в другую. ЖЭТФ, 1946, 16, с. 15-28.

11. Алиханян А.И., Арутюнян Ф.Р., Испирян К.А., Тер-Микаелян М.Л. Об одной возможности детектирования зареженных частиц высоких энергий. ЖЭТФ, 1961, 41, с. 2002-2010. .

12. Алиханян А.И. Переходное излучение релятивистских частиц. -Труды ФИАН, т. 140, Москва: Наука, 1982, с. 92-95.

13. Elder F.R., Gurewitch A.M., Langmuir R.V., Pollock A.0.

14. Phys. JE?ev., 194-7, v. 71, p. 829.

15. Иваненко Д.Д., Соколов А.А. ДАН СССР, 1948, 59, с.1551.

16. Schott G.A. Electromagnetic Radiation. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1912.

17. Алферов Д.Ф., Башмаков Ю.А., Бессонов Е.Г. Ондуляторное излучение. Труды ФИАН, т.80, Москва: Наука, 1975, с.100-124.

18. Кумахов М.А. Эффект спонтанного и вынужденного излучения релятивистских частиц в кристалле и возможность его использования в физике. УФН, 1979, 127, с.531-533.

19. Собельман Й.М., Тютин А.В. Индуцированные радиационные процессы в квантовой и классической теории. УФН, 1963, 79,с.595-616.

20. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.Н. Лекции по СВЧ электронике. Москва: Сов. радио, 1973.

21. Гинзбург В. Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. Москва: Наука, 1975.

22. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. Москва: Высшая школа, 1978.

23. Богданкевич Л.С., Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Плазменная СВЧ электроника. УФН, 1981, 133, I, с.3-32.

24. Ерохин Н.С., Кузелев М.В., Моисеев С.С., Рухадзе А.А., Шварц-бург А.Б. Неравновесные и резонансные процессы в плазменной радиофизике. Москва: Наука, 1982.

25. Рухадзе А.А., Богданкевич Л.С., Росинский С.Е., Рухлин В.Г. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков. Москва: Атомиздат, 1980.

26. Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. Москва: Атомиздат, 1979.

27. Жураховский В.А. Нелинейные колебания в магнитонацравляемых потоках. Киев: Наукова думка, 1972.

28. Жураховский В.А., Орлов Н.Н., Чемерис В.Т. Некоторые особенности энергообмена заряженных частиц с адиабатически-неодно-родннми высокочастотными полями. Препринт-261. Киев: ИЭД АН УССР, 1981.

29. Соколов А.А., Тернов И.М. ДАН СССР, 1966, 166 , 6, с. 1332.

30. Соколов А.А., Тернов И.М. Релятивистский электрон. Москва: Наука, 1983.

31. Генераторы когерентного излучения на свободных электронах / Под ред. Рухадзе А.А. Москва: Мир, 1983.

32. IEEE J. of Quantum Electronics: Special Issue on Free-Electron Lasers, 1981, v, QE-17, ЕГ 8.

33. Братман В.Л., Гинзбург Н.С., Петелин М.И., Сморгонский А.В. Убитроны и скаттроны. В кн.: Релятивистская высокочастотнаяэлектроника / Под ред. Гапонова-Грехова А.В. Горький: ИПФ АН СССР, 1979, с.217-248.

34. Федоров М.В. Взаимодействие электронов с электромагнитным полем в лазерах на свободных электронах. УФН, 1981, 135, 2, с.213.

35. Elias L.R., Fairbank W.M., Madey J.M.J., Raiman G.J., Schwet-tman H.A., Smith T.I. Observation of stimulated emission of radiation by relativistic electrons in spatially periodic transverse magnetic field.-Phys. Rev. Lett., 1976, v. 36, p. 771.

36. Deacon D.A., Elias L.R., Madey J.M.J., Raiman G. J., Schwet-tman H.A., Smith T.I. First operation of a free-electron laser.-Phys. Rev. Lett., 1977, v. 38, p. 892.

37. Винокуров H.A., Скринский A.H. Генераторный клистрон оптического диапазона на ультрарелятивистских электронах: Препринт 77-59. Новосибирск, ИЯФ СО АН СССР, 1977.

38. Billardon М., Elleaume,P., Ortega J.M., Basin 0., Bergher M.f Velghe M., Betroff Y., Deacon D.A., Robinson X.E., Madey J.M.J. First operation of a storage-ring free-electron laser. -Phys. Rev. Lett., 1983, v. 51, N18, p. 1652-1655.

39. Кременцов С.И., Райзер М.Д., Сморгонский А.В. Убитрон генератор с релятивистским электронным пучком. - Письма в ЖЭТФ, 1976, 2, 10, с.453-457.

40. Mc.Dermott D.B., Marshall Т.О., Schlessinger S.P., Parker Р.К» Granatstein V.L. High-power free-electron laser based on stimulated Raman buck scattering.-Phys. Rev. Lett., 197S,v. 41, p. 1368-1371.

41. Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Канавец В.И. и др. Релятивистский доплеровекий умножитель частоты на циклотронном резонансе. Радиотехника и электроника, 1982, 27, 3, с.578.

42. Жуков П.Г., Иванов B.C., Рабинович М.С., Райзер М.Д., Рухад-зе А. А. Вынужденное комптоновское рассеяние на релятивистском электронном пучке. ЖЭТФ, 1979, 76, с.2065.

43. Schneider J. Stimulated emission of radiation by relativis-tic electrons in a magnetic field.-Ehys. Kev. Lett., 1959, v. 2, p. 504-506.

44. Талонов А.В. Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передачи. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1959, 2, с.836-837.

45. Гальцов Д.В. Об усилении электромагнитных волн квазиклассическими системами. Канд. диссертация. Москва: МГУ", 1968.

46. Гальцов Д.В., Павленко Ю.Г. О влиянии на синхротронное усиление зависимости времени жизни уровней от параметров. Вестн. МГУ, сер. физ., астр., 1968, в.2, с.101-108.

47. Гальцов Д.В., Павленко Ю.Г. Классический расчет нерезонансного отрипательного поглощения в магнитном поле.-Вестн. МГУ, сер. физ., астр., 1968, вып. 3, с. II4-II6.

48. Соколов А.А., Тернов Й.М. К;,использованию электронного синхротрона в качестве мазера.-Письма в ЖЭТФ, 1966, 4, 3,с. 90-92.

49. Ginsburg N.S. Self-focusing effects in free electron lasers. -Optic Communication, 1982, v. 4-3, N 3, p. 203206.

50. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И., Кошелев В.И., Черепенин В.А. Релятивистский многоволновой черенковский генератор.-Письма в ГО, 1983, 9, вып.22, с. 1385-1389.

51. Афонин A.M., Канавец В.И., Черепенин В.А. Высокоэффективное направленное синхрстронное излучение интенсивного потока релятивистских электронных осцилляторов.-Радиотехника и электроника, 1980, 25, 9, с. 1945-1956.

52. Байер В.Н., Катков В.М., Фадин B.C. Излучение релятивистских электронов. Москва: Атомиздат, 1973.

53. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. Москва: Наука, 1977.

54. Blewett J.Р., Chasman R. Orbits and fields in helical wiggler.-J. of Appl, Phys. , 1977 , v. 48 , Я 7, p. 2692-2698.

55. Канавец В.й., Черепенин В.A. 0 взрывной неустойчивости в релятивистском потоке электронных осцилляторов.-Радиотехника и электроника, 1978, 23, II, с. 2460-2464.

56. Власов А.Н., Корженевский А.В., Куркин М.Г., Черепенин В.А. Теория релятивистских многоволновых усилителей.-В кн.: Доклады 1У Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1982, ч. 2, с. 176-179.

57. Канавец В.И., Корженевский А.В., Кубарев В.А., Черепенин В.А.Дндуцированное синхротронное излучение релятивистского электронного потока.-Вестн. МГУ, сер, физ., астр., 1984, 25, 2, с. 68-75.

58. Канавец В.И., Корженевский А.В., Черепенин В.А. Теория многоволнового синхротронного усилителя,-ЖГФ, 1984, 54, 3, с. 541-550.

59. Корженевский А.В., Черепенин В.А. Теория многоволновых устройств на коллективном излучении релятивистских электронных осцилляторов.-В кн.: X Всесоюзная конференция по электронике СВЧ, тезисы докладов. Минск: МРТИ, 1983, с.217-218.