Модуляция электронного пучка лазера на свободных электронах в поле внешнего лазерного излучения

Лигидов, Азамат Заурович

Модуляция электронного пучка лазера на свободных электронах в поле внешнего лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Лигидов, Азамат Заурович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Модуляция электронного пучка лазера на свободных электронах в поле внешнего лазерного излучения»

Автореферат диссертации на тему "Модуляция электронного пучка лазера на свободных электронах в поле внешнего лазерного излучения"

На правах рукописи

Липщов Азамат Заурович

МОДУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ В ПОЛЕ ВНЕШНЕГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 т 2014

Москва-2014

005548576

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».

Научный руководитель:

Ведущий научный сотрудник ЛЭВЭ Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Заведующий НИЛ физики взаимодействия быстрых заряженных частиц и излучения с твердым веществом Белгородского государственного национального исследовательского университета, доктор физико-математических наук, профессор

Ведущий научный сотрудник Национального исследовательского Томского политехнического университета, доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Защита состоится «04» июня 2014 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон (499) 324-87-66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ и на сайте http://ods.mephi.ru. Автореферат разослан «¿2£» ^ОЛ- 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, кандидат технических наук

Дабагов Султан Барасбиевич

Блажевич Сергей Владимирович

Адищев Юрий Николаевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Со времен первых работ по исследованию явлений, связанных с электромагнетизмом, прошло около двух столетий. В настоящее время можно смело утверждать, что человечество научилось использовать в своей повседневной жизни электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн. Сейчас невозможно представить мир без новых технических средств, которые стали неотъемлемой частью нашей действительности. В повседневной жизни это радио, телевидение, сотовые телефоны, микроволновые печи; нельзя не отметить, что в медицине и биологии широко используется излучение разного рода, как для диагностики, так и для терапии различных заболеваний (спектр излучения варьируется от акустических до рентгеновских и гамма частот). С другой стороны, каждый раз освоение нового спектрального диапазона, появление новых источников излучения приводило к новому пониманию окружающего нас мира, что является подтверждением взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований [1].

Особо в этом спектре исследований надо выделить на сегодняшний день новые возможности, которые перед наукой открывают мощные источники электромагнитного излучения, которыми являются синхротронные источники (син-хротронное излучение - СИ) и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). При этом несомненное первенство по достижимым параметрам принадлежит ЛСЭ источникам, что и способствовало углублению исследований, направленных на строительство таких установок.

В чем же заключается достоинство ЛСЭ? Идея ЛСЭ исторически уходит в середину прошлого столетия, теоретические основы были заложены еще тогда, однако, методы реализации этой красивой идеи требовали развитие новых технологий. Последнее и обусловило столь запоздалый практический интерес к установкам ЛСЭ. Сегодня физическая наука располагает рядом новых подходов, подкрепленных как теоретическими исследованиями, так и экспериментальными

результатами, что предопределяет некий прорыв в данной области физики и техники. В принципе, ЛСЭ позволяют получать монохроматическое излучение на любой заданной длине волны (от 1 мм до 0,1 нм для проектируемых установок). Понятно, что разница в длине волны излучения в семь порядков требует и совершенно разных технических подходов и решений к, казалось бы, одному и тому же явлению. Средняя мощность излучения может быть порядка 100 кВт и выше при стабильных параметрах источника. Принципиальным объяснением этого служит тот факт, что в ЛСЭ отсутствует твердотельная или газовая среда (лазерная среда), которая ограничена эффективным временем работы и имеет обыкновение портиться при повышении мощности - она нагревается, появляются градиенты плотности [2]. Рабочим же телом ЛСЭ являются релятивистские электроны, движущиеся в знакопеременном магнитном поле ондулятора.

В основе работы классического ЛСЭ лежит явление вынужденного ондуля-торного излучения, под действием световой волны в резонаторе [1]. Ондулятор -это магнитная система, создающая пространственно-периодическое знакопеременное поперечное магнитное поле. В таком поле релятивистские электроны движутся по слабоизогнутой синусоидальной, либо спиральной траектории; на прямолинейное движение релятивистской частицы «накладывается» быстро осциллирующее поперечное, которое определяется размерами и геометрией поля в ондуляторе.

Для обеспечения стабильной работы ЛСЭ необходимо соблюдение условия синхронизма движения электронов и электромагнитной волны вдоль ондулятора. Стабильность ЛСЭ напрямую определяет и излучаемую им мощность. Оказывается, что при синхронизации пучка электронов с полем ондулятора и электромагнитной волны возможно увеличение когерентности такого взаимодействия. При этом в зависимости от фазы электронов в момент влета, для одной части пучка энергия может увеличиваться, а для второй - уменьшаться. Это приводит к модуляции электронов по энергии вдоль сгустка с периодом электромагнитной волны, затем модуляция по энергии за счет зависимости скорости элек-

тронов от энергии переходит в модуляцию по плотности распределения пучка. Условно говоря, получается сгусток электронов, «нарезанный» на тонкие ломтики (микросгустки), причем поперечный размер электронного пучка превосходит период продольной «нарезки» более чем на три порядка! Реализация такого режима работы ЛСЭ требует очень высокого качества пучка по его пространственно-угловым характеристикам [1-4], но в результате получения микросгустков с характерными размерами длины электромагнитной волны возможно значительное повышение вклада когерентного излучения электронов в полную мощность излучения (увеличение на 6-7 порядков по сравнению с излучением электронного пучка, не разбитого на микросгустки).

В современных установках ЛСЭ большое внимание уделяется однопроходному режиму самоусиления спонтанного излучения ЗАЭЕ. В этом режиме продвижение в область мягкого рентгена возможно, при сохранении классической схемы ЛСЭ, т.е. с ондулятором, помещенным в резонатор. До длин волн X ~ 10 нм, в резонаторе могут применяться зеркала с многослойными покрытиями, однако, для длин волн X ~ 0,1 нм не существует достаточно эффективных зеркал (рентгеновские зеркала), необходимых для создания резонаторов. Суть режима БАБЕ заключается в описанном выше эффекте формирования микросгустков за счет взаимодействия пучка электронов с собственным излучением, что, как следствие, сопровождается усилением мощности излучения. Реализация этого режима накладывает дополнительные ограничения на качество пучка. Однако, для формирования микросгустков требуется некоторое время, и процесс захватывает лишь небольшую фронтальную часть электронного пучка, потому встает вопрос о возможности такой группировки еще до влета в ондулятор. Интересно, что данный процесс может быть осуществлен как в непосредственной близости от фотоинжектора (в момент зарождения электронного пучка в поле, падающей на фотоинжектор лазерной волны), так и в непосредственной близости от системы ондуляторов (когда процесс формирования пучка электронов завершен) [5, 6]. Еще одним из возможных решений этой проблемы может служить использо-

вание затравочных ЛСЭ, хотя такое решение является недешевым. А потому поиск альтернативных методов представляется актуальным.

Развитие лазерных технологий открыло новое направление исследований, связанное с взаимодействием пучков заряженных частиц и плазмы с мощным лазерным излучением. Особый интерес представляет получение в результате такого взаимодействия электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне. Так лазерный импульс, воздействуя на нейтральную плазму, образует ионную полость, которая способна захватывать электроны [7]. Особенность такого взаимодействия заключается в том, что за счет большого градиента поля электроны плазмы, затянутые в ионную полость, ускоряются до ультрарелятивистских энергий на очень малых расстояниях. Ускоренное движение компактного пучка электронов в связанном состоянии, определяемом плазменно-ионным каналом, носит бетатронный характер и является причиной излучения [8, 9]. Следует заметить, что связанное движение пучка электронов в плазменной полости представляет собой каналирование электронов в усредненном потенциале плазмен-но-ионного канала. При этом в зависимости от поперечной энергии каналиро-ванного электронного пучка возможна его пространственная модуляция, что обуславливает перспективность применения такой системы в качестве источника электромагнитного излучения.

1.2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы была экспериментальная проверка теоретических исследований формирования компактных пучков электронов до влета в ондуля-торную систему для увеличения интенсивности излучения ЛСЭ за счет доминирования когерентных процессов излучения электронов в микросгустках.

В частности, предполагалось изучение формирования микросгустков пучка электронов и его влияние на характеристики излучения двумя различными методами:

• Модуляции электронного пучка SPARC в поле внешнего лазерного излучения, падающего на катод фотоинжектора, в рамках проекта COMB;

• Образование микропучков перед ондуляторной системой с помощью дополнительного лазера, в рамках проекта SEEDING.

1.3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Впервые экспериментально изучено влияние лазерного импульса длительностью 10 пкс на модуляцию электронного пучка.

2. Изучен метод управления пучками, состоящими из нескольких микросгустков и возможность их использования для генерации терагерцового излучения при формировании импульсов излучения на ЛСЭ.

3. На установке SPARC был впервые реализован метод генерации ультракоротких импульсов излучения на ЛСЭ в режиме SASE, при так называемой «конической» геометрии ондулятора.

4. Впервые на установке SPARC было экспериментально реализовано использование внешнего затравочного лазерного импульса в ЛСЭ для модуляции электронного пучка до влета в ондуляторную систему.

1.4. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, были получены на установке SPARC. Практическая значимость данной работы состоит в возможности использования полученных в ней результатов при реализации проектов по созданию новых ЛСЭ, в том числе и в России, т.к. подобные исследования в нашей стране сейчас находятся только на стадии рассмотрения. Результаты данной работы могут оказаться полезными не только для реализации подобных проектов в России, но и для развития науки в целом.

1.5. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Экспериментальные результаты исследования генерации лазерного излучения электронным пучком в режиме SASE на установке SPARC:

1.1. общий коэффициент усиления излучения электронного пучка близкий к 107 для пикового тока порядка 53 А на длине волны 500 нм.

1.2. экспоненциальное увеличение интенсивности излучения электронного пучка в зависимости от пути, пройденного им в ондуляторе.

1.3. уменьшение ширины спектральной линии излучения ЛСЭ на основной гармонике ондулятора в зависимости от пути, пройденного пучком в ондуляторе.

2. Экспериментальные результаты микрогруппировки электронных пучков лазером в прикатодной области фотоинжектора SPARC. В частности, изучено влияние дополнительного лазерного импульса длительностью 10 пкс на модуляцию электронного пучка.

3. Эффективность увеличения доли когерентных процессов излучения при применении затравочного лазера для предварительной модуляции электронного пучка по сравнению с SASE режимом, на основе установки SPARC.

1.6. ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДОВ

Достоверность сформулированных в диссертации положений и выводов подтверждается экспериментальными результатами, полученными при решении поставленных задач, а также согласованностью полученных экспериментальных результатов с результатами других работ, проводимых в данной области. Кроме того, экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием известных компьютерных кодов PERSEO, GENESIS 1.3, MEDUSA и GINGER.

1.7. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ

Автор принимал участие в создании, настройке и тестировании установки для проведения экспериментов SEEDING и COMB SPARC_LAB (2009 - 2013 гг). В ходе проделанной работы, которая выполнялась совместно с коллективом лаборатории SPARC_LAB, автор принимал участие в получении и обсуждении полученных результатов, а также в планировании дальнейших работ. Все основные результаты, указанные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в совместных исследованиях. Соискателем исследованы методы формирования микросгустков электронного пучка вблизи фотокатода инжектора (COMB) и на входе в ондуляторные секции (SEEDING).

В эксперименте COMB автором лично была выполнена юстировка соленоида в ускорительной секции, с целью компенсации недостатка энергии и тока в электронном пучке.

А в эксперименте SEEDING:

• настройкой оптической системы ввода лазерного импульса в электронный пучок;

• настройкой системы преобразования ИК в ВУФ моду;

• настройкой систем фокусировки электронного пучка в каждом модуле ондулятора.

Автор также участвовал в настройке и калибровке спектрометра и в интерпретации результатов экспериментов.

В рамках эксперимента автор лично был ответственен за настройку всех 6-ти диагностических камер, расположенных между модулями ондуляторов. Были изучены механизмы ручной и программной настройки ондуляторной системы, а также специальные программы моделирования процесса транспортировки электронного пучка, как в промежутке до ондуляторной секции, так и в поле ондулятора: PARMELA и GENESIS 1.3.

1.8. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты диссертации были доложены на следующих конференциях:

• На 43-й международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2013): Москва, Россия, 28 - 30 мая 2013.

• На 5-й международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Channeling 2012): Alghero, Sardinia, Italy, September 23 - 28, 2012.

• Ha 2-й международной научной конференции "Наука в современном обществе": Ставрополь, Россия, 25 мая 2012.

• На 15-й международной научно-практической конференции "Наука и современность - 2012": Новосибирск, Россия, 14 марта 2012.

• На 9-й молодежной международной научно-практической конференции "Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания": Новосибирск, Россия, 3 марта 2012.

Часть результатов, представленных в диссертации, опубликована в сборнике научных трудов «Новейшие аспекты научных исследований начала XXI века»: Ростов-на-Дону, Россия, 30 апреля 2012.

Результаты, полученные, в совместных исследованиях, обсуждались на семинарах LNF INFN и НИЯУ МИФИ, а также были доложены на других научных семинарах:

• Научный семинар кафедры «Физики конденсированных сред» № 67 НИЯУ МИФИ, под руководством доктора физико-математических наук, профессора М.И. Рязанова, г. Москва, 25 октября 2013 г.

• Научный семинар Отделения физики высоких плотностей энергии Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, под руково-

дством доктора физико-математических наук, профессора A.C. Шиканова, г. Москва, 12 декабря 2013 г.

• Научный семинар кафедры «Лазерной физики» № 37 НИЯУ МИФИ, под руководством доктора физико-математических наук, профессора H.H. Евтихие-ва, г. Москва, 13 декабря 2013 г.

• Научный семинар Отделения физики высокой плотности энергии в веществе Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова, под руководством доктора физико-математических наук, профессора A.A. Голу-бева, г. Москва, 27 марта 2014 г.

1.9. ПУБЛИКАЦИИ

Основные научные результаты исследований опубликованы в двух статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, и двух статьях в периодических зарубежных научных изданиях, индексируемых в Web of Science и Scopus и рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертации.

1.10. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 152 страниц основного текста, 79 рисунков, 22 таблицы и список литературы, состоящий из 190 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели работы, указана новизна результатов, приведена структура и содержание диссертации, перечислены защищаемые положения.

В главе 1 описаны основные принципы работы новейших источников мощного электромагнитного излучения таких, как ондуляторы, вигглеры, лазеры на свободных электронах ЛСЭ. Приведены основные направления решения задачи о генерации мощного электромагнитного излучения ЛСЭ за счет увеличения роли когерентных процессов излучения. Рассмотрен однопроходный режим самоусиления спонтанного излучения (ЗАЭБ) [9]. Взаимодействие электронов пучка с полем собственного излучения ускоряет их или тормозит в зависимости от координаты электрона и фазы электромагнитной волны. В результате волна собирает электроны в сгустки, расстояние между которыми определяется ее периодом (рис. 1).

О?-г-1—:-Г—--, :..-.••.'. (.«1-17-г-г "7

При создании и планировании машины SPARC были предусмотрены пути дальнейшего развития данного проекта в экспериментах, которые являлись бы продолжением работ в лаборатории SPARCLAB (Sources for Plasma Accelerators and Radiation Compton with Laser And Beams). В данной главе показаны схемы экспериментов, которые реализуются в SPARC_LAB в настоящий момент.

В главе 2 рассмотрен один из методов получения пространственной модуляции пучка, в основе которого лежит использование поля лазерной волны вблизи поверхности фотокатода инжектора установки. Экспериментальная схема для реализации этого метода показана на (рис. 2). Основными объектами на рисунке являются инжектор и соленоиды. Максимальная напряженность поля на катоде равна 120 МВ/м. Фотокатод электронной высокочастотной пушки освещается

Рис. 1: Процесс формирования микросгустков вдоль ондулятора

импульсами Тг.Ба лазера, третья гармоника которого с длинной волны 266 нм несет около 500 мкДж энергии за импульс в стандартном режиме длительностью 10 пкс (1 пкс время нарастания). Электроны, испускаемые катодом, вытягиваются из инжектора ускоряющим полем в первую секцию ускорителя. Затем они дрейфуют на расстояние 1,5 м, попадают в фокусирующее магнитное поле и проходят три ускоряющие секции.

Рис. 2: Схема эксперимента COMB

В работе проведено тщательное исследование режима микрогруппировки как аналитическое, так и экспериментальное. На (рис. 3) представлен случай экспериментальной реализации формирования микропучков, сравниваемый с результатом моделирования [10]. Рисунок показывает хорошее согласие теоретических и экспериментальных данных.

-2-1 О 1 2

Длина (пс)

Рис. 3: Показано сравнение экспериментальных данных (В) и результатов моделирования (А) продольного фазового пространства пучка электронов с зарядом 200 пКл

В главе 3 приводится полное описание технических особенностей и характеристик экспериментальной установки для реализации проекта SEEDING SPARCJLAB.

В части 3.1 раскрывается проект, посвященный развитию метода формирования микросгустков пучка электронов [11]. Исследуется возможность формирования модулированного в пространстве пучка электронов, т.е. реализации режима предмодуляции еще до влета электронного пучка в ондулятор или систему ондуляторов.

Чтобы достичь необходимого эффекта была разработана схема ввода лазерного импульса в электронный пучок посредством специально устройства «chicane» (рис. 4). Эта схема осуществляет работу с помощью 4 магнитов, которые «изгибают» электронный пучок, отклоняя его от оси прямолинейного распространения. Такое смещение пучка (с амплитудой в несколько миллиметров) дает возможность включения в систему зеркала, с помощью которого лазерное излучение пересекается с электронным пучком на входе в модуль ондулятора. Ла-

зерное излучение от установки SEEDING, расположенной перед ондулятором, распространяется вместе с электронным пучком после последнего зеркального отражения и фокусируется в ондуляторе.

ИМИ" HHG cell + monochroma+or

Laser radiation

Quadrupole magnets

_t Undulators

Zwoist

E beam

Seed radiation of wavelength X and power P

Laser focal point with spot size w-> Rayieigh range «я щ21X

Рис. 4: Схема ввода лазерного излучения

В части 3.2 приведены результаты, полученные впервые при генерации электронного пучка в режиме SASE на машине SPARC. Для максимального тока порядка 53 А на длине волны 500 нм наблюдается общий коэффициент усиления, близкий к 107. Получена максимальная энергия, равная приблизительно 0,01 мДж. Сделаны подробные измерения спектров излучения, полученные при последовательном выключении отдельных секций ондулятора. Результаты моделирования, выполненного в кодах PERSEO, GENESIS 1.3, MEDUSA и GINGER, были сравнены с экспериментальными данными на основной частоте и на частоте третьей гармоники [12]. Отмечено соответствие предсказанных данных и результатов, наблюдаемых на основной частоте, более того, достаточно разумное согласие с данными было также отмечено для третьей гармоники, измеренной в конце ондулятора.

В части 3.3 экспериментально показана возможность генерации электромагнитного излучения в однопроходном режиме SASE ЛСЭ при линейной частот-

ной модуляции электронного пучка в коническом ондуляторе. На (рис. 5) показаны экспериментальные данные и результаты моделирования спектрального распределения интенсивности выходного излучения ЛСЭ в таком режиме на входной щели спектрометра или решетки преобразования для регистрации излучения ПЗС-камерой. Экспериментальные данные должным образом согласуются с результатами моделирования.

528 5» 540 550 5« 520 ЙО Ш 550 Ш

Vwfatgft I») Wwtagfl (Шй)

Рис. 5: Обычный спектр ЛСЭ, показывающий один импульс из эксперимента (а) и моделирования (б) в GENESIS 1.3. Полная энергия импульса ~300 мкДж

В части 3.4 экспериментально показана возможность использования схемы каскадного ЛСЭ для ввода внешнего модулирующего лазерного импульса в электронный пучок перед ондулятором. Показано сравнение экспериментальных данных и результатов статистического исследования, проведенного со 100 случайными событиями программой GENESIS 1.3. Данные моделирования хорошо согласуются с экспериментом.

В части 3.5 проанализирован ЛСЭ усилитель, работающий в сверхизлуча-тельном режиме. Рассмотрено поведение однопроходных ЛСЭ при глубоком насыщении, достигнутом путем ввода коротких внешних модулирующих лазерных импульсов.

В текущем эксперименте использовались импульсы второй гармоники лазера, полученные через удвоение частоты в кристалле p-бората бария при сверхкоротких лазерных импульсах. Этих импульсов более чем достаточно для насыще-

ния и получения сверхизлучения. Энергия насыщения равна примерно Esat = pIpeakEBTL/ea и 3,5 мкДж, с зарядом электрона е0, параметром Пирса р.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертации показаны основные принципы работы новейших источников мощного электромагнитного излучения таких, как лазеры на свободных электронах. Приведены основные направления решения задачи о генерации мощного электромагнитного излучения ЛСЭ за счет участия когерентных процессов.

Экспериментально исследован один из методов получения пространственной модуляции пучка, в основе которого лежит использование поля лазерной волны вблизи поверхности катода инжектора установки SPARC. Приведены экспериментальные результаты способов увеличения интенсивности излучения в ЛСЭ и процесс моделирования его результатов при разбиении исходного пучка электронов на микропучки, где видно, что большая часть ускоренных электронов когерентно излучает.

В работе приведены экспериментальные результаты исследований, проводимых на установке SPARC в режиме самоусиления спонтанного излучения, при котором наблюдался максимальный коэффициент усиления излучения электронного пучка 107. Проведенные исследования показали экспоненциальное увеличения интенсивности и сужение линии излучения при увеличении расстояния пройденного в ондуляторе. Результаты экспериментов имели хорошее совпадение с теоретическими моделями построенными ранее (PERSEO, GENESIS 1.3, MEDUSA и GINGER).

Проведенные эксперименты показали, что использование затравочного лазера приводит к резкому возрастанию интенсивности излучения ЛСЭ, на основе чего был сделан вывод о появлении модуляции в пучке. Более того, интенсивность излучения ЛСЭ в режиме SEEDING оказалась на несколько порядков вы-

ше, чем в режиме самоусиления спонтанного излучения, что может говорить о высокой результативности данного метода генерации излучения.

Показаны экспериментальные результаты использования дополнительного лазера в прикатодной области, что позволяет получать электронные пучки, состоящие из двух или четырех сгустков, расстояние между которыми может быть отрегулировано изменением фазы входа пучка в линейный ускоритель.

Изучался метод получения модулированного в пространстве пучка электронов еще до влета в ондулятор. Показаны экспериментальные результаты формирования микросгустков перед ондуляторной системой.

Исследовалась возможность генерации излучения лазерных импульсов в однопроходном режиме ЛСЭ, работающих в режиме самоусиления спонтанного излучения с линейно частотной модуляцией электронного пучка в коническом ондуляторе. Высокая эффективность сопровождается сужением ширины спектра. Исследования показали возможность управления продольной когерентностью ЭДБЕ ЛСЭ, что представляет особый интерес для приложений суб-фс спектроскопии рентгеновского излучения.

Экспериментально показана возможность использования схемы каскадного ЛСЭ. Получен поток (суммарно до 4х102) фотонов с высокой монохроматичностью на длине волны 133 нм.

Проанализировано поведение однопроходных ЛСЭ при глубоком насыщении, достигнутом путем ввода внешних коротких модулирующих лазерных импульсов. Энергия импульса и пропускная способность основной и высших гармоник были сравнены со значениями, полученными с помощью кодов моделирования и аналитических моделей. Генерация высоких гармоник позволяет расширить рабочий диапазон ЛСЭ.

4. РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ В ЖУРНАЛАХ, ВХОДЯЩИХ В ПЕРЕЧЕНЬ РОССИЙСКИХ РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛОВ ВАК РФ

1. А.В. Дик, А.З. Лигидов, Е.Н. Фролов, М. Ferrario, L. Giannessi. Излучение одиночной частицы при ультрарелятивистском движении в электромагнитном поле. // Известия КБГУ: Том III, № 3, стр. 12-14, 2013.

2. А.В. Дик, А.З. Лигидов, Е.Н. Фролов, М. Ferrario, L. Giannessi. Характеристика однопроходного лазера на свободных электронах, работающего в режиме самосогласованного усиленного спонтанного излучения (SASE). // Известия КБГУ: Том III, № 3, стр. 15-17,2013.

3. М. Ferrario, D. Alesini, М. Anania, A. Bacci, М. Bellaveglia, О. Bogdanov, R. Boni, M. Castellano, E. Chiadroni, A. Cianchi, S.B. Dabagov, C. DeMartinis, D. Di Giovenale, G. Di Pirro, U. Dosselli, A. Drago, A. Esposito, R. Faccini, A. Gallo, M. Gambaccini, C. Gatti, G. Gatti, A. Ghigo, D. Giulietti, A.Z. Ligidov, P. Londrillo, S. Lupi, A. Mostacci, E. Pacea, L. Palumbo, V. Petrillo, R. Pompili, A.R. Rossi, L. Serafini, B. Spataro, P. Tomassini, G. Turchetti, C. Vaccarezza, F. Villa, G. Dattoli , E. DiPalma, L. Giannessi, A. Petralia, C. Ronsivalle, I. Spassovsky, L. Gizzi, L. Labate, T. Levato, J.V. Rau. SPARC_LAB present and future. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms: vol. 309, p. 183-188,2013. (индексируется в Web of Science и Scopus).

4. A.V. Dik, A.Z. Ligidov, S.B. Dabagov. Radiation by electrons channeled in a plasma-ion cavity. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms: vol. 309, p. 210-213, 2013. (индексируется в Web of Science и Scopus).

5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ИЗЛОЖЕННЫЕ В ТРУДАХ РОССИЙСКИХ, МЕЖДУНАРОДНЫХ НАУЧНЫХ ШКОЛАХ, КОНФЕРЕНЦИЯХ И ПРЕПРИНТЕ НИЯУ МИФИ

1. A. Dik, A. Ligidov, S. Dabagov. Radiation by electrons channeled in a plasmaion cavity. // The book S.B. Dabagov, and M.N. Strikhanov, Eds., Channeling 2012, MEPhI Publ. Office, p. 383-2013, ISBN 978-5-7262-1864-9.

2. M. Ferrario, D. Alesini, M. Anania, A. Bacci, 0. Bogdanov, M. Castellano, E. Chiadroni, A. Cianchi, S.B. Dabagov, U. Dosselli, A. Drago, A. Esposito, G. Gatti, A. Ghigo, D. Giulietti, A.Z. Ligidov, P. Londrillo, S. Lupi, A. Mostacci, E. Pacea, L. Pa-lumbo, V. Petrillo, R. Pompili, A.R. Rossi, L. Serafini, B. Spataro, P. Tomassini, G. Turchetti, C. Vaccarezza, F. Villa, G. Dattoli , E. DiPalma, L. Giannessi, A. Petralia, C. Ronsivalle, I. Spassovsky, V. Surrenti, L. Gizzi, L. Labate, T. Levato, J.V. Rau. SPARC_LAB present and future. // The book S.B. Dabagov, and M.N. Strikhanov, Eds., Channeling 2012, MEPhI Publ. Office, p. 354-363, 2013, ISBN 978-5-72621864-9.

3. M. Ferrario, L. Giannessi, A.Z. Ligidov. Modulation of FEL electron beam in the field of external laser radiation // The book S.B. Dabagov, and M.N. Strikhanov, Eds., Channeling 2012, MEPhI Publ. Office, p. 397-408, 2013, ISBN 978-5-7262-1864-9.

4. A.3. Лигидов. Излучение одиночной частицы при ультрарелятивистском движении в электромагнитном поле. // Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания: Сборник материалов IX Молодежной международной научно-практической конференции: в 2-х частях. Часть 2/ Под общ.ред. С.С. Чернова. Новосибирск: Издательство НГТУ, стр. 67-70, 2012, ISBN 978-5-7782-1863-5.

5. А.З. Лигидов. Характеристика однопроходного лазера на свободных электронах, работающего в режиме самосогласованного усиленного спонтанного излучения (SASE). // Наука и современность - 2012: Сборник материалов XV Международной научно - практической конференции: в 4-х частях. Часть 1/ Под общ.ред. С.С. Чернова. - Новосибирск: Издательство НГТУ, стр. 154-159, 2012, ISBN 978-5-7782-1905-2.

6. А.З. Лигидов. Излучение одиночной частицы при ультрарелятивистском движении в электромагнитном поле // Новейшие аспекты научных исследований начала XXI века (Часть 1): сборник научных трудов / Под общ. ред. доцента О.П. Чигишевой. - Ростов-на-Дону: Научное сотрудничество, стр. 5-9, 2012, ISBN 978-5-4419-0006-5.

7. А.З. Лигидов. Генерация гармоник высокого порядка сформированных в газовой среде // Наука в современном обществе: сборник материалов II Международной научной конференции. - Ставрополь: Центр научного познания «Логос», стр. 155-161, 2012, ISBN 978-5- 905519-11-6.

8. А.З. Лигидов, М.Р. Anania, М. Ferrario, С.Б. Дабагов. Влияние микробанче-вания пучка ЛСЭ на характеристики излучения. // Тезисы докладов XLIII международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. / Под общ. ред. проф. М.И. Панасюка. - М.: Изд-во Московского университета, стр. 44, 2013.

9. М. Ferrario, L. Giannessi, А.З. Лигидов. Модуляция электронного пучка SPARC в поле лазерного излучения, сформированного в газовой среде: Препринт 001-2012. М.: НИЯУ МИФИ, 44 е., 2012.

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л.В, Тарасов. Лазеры: действительность и надежды. // Наука, М., 1985

2. Т.С. Marshall. Free Electron Lasers. // Macmillan Publ. Сотр.: p. 191, 1985

3. E.H. Рогозин, И.И. Собельман. Продвижение ЛСЭ в рентгеновскую область спектра. // Успехи физически наук: т. 174, с. 207, 2004

4. Е.Г. Бессонов, A.B. Виноградов. Ондуляторные и лазерные источники мягкого рентгеновского излучения. // УФН: т. 159, с. 143, 1989

5. A.A. Коломенский, А.Н. Лебедев. Вынужденное ондуляторное излучение релятивистских электронов и физические процессы в электронном лазере. // Квантовая электроника: т. 5, с. 1543, 1978

6. V.A. Buts, A.N. Lebedev, V.I. Kurilko. The theory of coherent radiation by intense electron beams. // Springer, p. 259, 2006

7. Г.Н. Кулипанов. Изобретение В.Л Гинзбургом ондуляторов и их роль в современных источниках синхротронного излучения и лазерах на свободных электронах. // Успехи физических наук: т. 177, №4, 2007

8. L. Giannessi, P. Musumeci, S. Spampinati. Nonlinear pulse evolution in seeded free-electron laser amplifiers and in free-electron laser cascades. //Journal of Applied Physics: vol. 98, p. 043110, 2005

9. M. Labat, N. Joly, S. Bielawski, C. Szwaj, C. Bruni, M.E. Couprie. Pulse splitting in short wavelength seeded free electron lasers. // Physical Review Letters: vol. 103, p. 264801,2009

10. T. Tanikawa, G. Lambert, Т. Нага, M. Labat, Y. Tanaka, M. Yabashi, O. Chubar. Nonlinear harmonic generation in a free-electron laser seeded with high harmonic radiation. // Euro Phys. Let: vol. 94, p. 34001,2011

11. A.V. Dik, A.Z. Ligidov, S.B. Dabagov. Radiation by electrons channeled in a plasma-ion cavity. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms: vol. 309, p. 210-213,2013.

12. D. Giulietti, M. Galimberti, A. Giuletti, I.A. Gizzi, I. Labate, P. Tomassini. The laser-matter interaction meets the high energy physics: Laser-plasma accelerators and bright x/gamma-ray sources. // Laser and Particle Beams: vol. 23, p. 309, 2005

Подписано в печать:

29.04.2014

Заказ № 10010 Тираж - 80 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Лигидов, Азамат Заурович, Москва

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

04501458050

Лигидов Азамат Заурович

МОДУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ В ПОЛЕ ВНЕШНЕГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и

ускорительная техника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Дабагов Султан Барасбиевич

На правах рукописи

Москва - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ: ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ДО

ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ..........................................................................................................12

1.1. Основные принципы устройства и конструкции ускорителей.................................................13

1.2. Особенности излучения релятивистского электрона в электромагнитом поле......................17

1.3. SASE: однопроходный режим увеличения интенсивности излучения ЛСЭ...........................24

1.4. Лазеры на свободных электронах и установка SPARC.............................................................27

1.5. Эксперименты, реализуемые в лаборатории SPARC LAB.......................................................38

1.5.1. Микрогруппировка электронного пучка в прикатодной области (COMB).........................38

1.5.2. Получение ТГц излучения для разных состояний электронного пучка (TERASPARC)....40

1.5.3. Формирование электронных микросгустков перед ондуляторной системой (SEEDING).42

1.5.4. Исследование движения ультрарелятивистского электрона в сверхсильном электромагнитном поле (THOMSON).....................................................................................................43

1.5.5. Создание мощной лазерной установки для исследования Томсоновского рассеяния оптических фотонов энергичных электронов (PLASMONX)...............................................................44

1.5.6. Изучение особенностей динамики электронного пучка при каналировании (POSSO)......45

ГЛАВА 2. МОДУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА SPARC В ПОЛЕ ВНЕШНЕГО ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ...........................................................................................................................................48

2.1. Формирование микросгустков электронных пучков лазером в прикатодной области инжектора SPARC.....................................................................................................................................48

2.2. Взаимодействие лазера и электронного пучка высокой яркости в прикатодной области инжектора..................................................................................................................................................52

2.3. Результаты моделирования техники «laser comb» для различных параметров электронного пучка .........................................................................................................................................................56

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОПУЧКОВ ПЕРЕД ОНДУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ В

ЭКСПЕРИМЕНТЕ SEEDING SPARC.................................................................................................67

3.1. Технические особенности и характеристики системы для эксперимента Seeding.................67

3.2. Самоусиление спонтанного излучения в однопроходном режиме SASE ЛСЭ.....................101

3.3. Генерация ультракоротких импульсов лазерного излучения на ЛСЭ в режиме SASE, при «конической» геометрии ондулятора....................................................................................................112

3.4. Генерация гармоник высших порядков в ЛСЭ, на гармониках затравочного лазера генерируемых в газе................................................................................................................................120

3.5. Генерация гармоник высших порядков и сверхизлучательный режим в каскадных ЛСЭ ..127 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................................................................136

ЛИТЕРАТУРА

139

ВВЕДЕНИЕ

Особо в этом спектре исследований надо выделить на сегодняшний день новые возможности, которые перед наукой открывают мощные источники электромагнитного излучения, которыми являются синхротронные источники (синхротронное излучение - СИ) и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). При этом несомненное первенство по достижимым параметрам принадлежит ЛСЭ источникам, что и способствовало углублению исследований, направленных на строительство таких установок.

в данной области физики и техники. В принципе, ЛСЭ позволяют получать

монохроматическое излучение на любой заданной длине волны (от 1 мм до 0,1 нм для проектируемых установок). Понятно, что разница в длине волны излучения в семь порядков требует и совершенно разных технических подходов и решений к, казалось бы, одному и тому же явлению. Средняя мощность излучения может быть порядка 100 кВт и выше при стабильных параметрах источника. Принципиальным объяснением этого служит тот факт, что в ЛСЭ отсутствует твердотельная или газовая среда (лазерная среда), которая ограничена эффективным временем работы и имеет обыкновение портиться при повышении мощности - она нагревается, появляются градиенты плотности [2]. Рабочим же телом ЛСЭ являются релятивистские электроны, движущиеся в знакопеременном магнитном поле ондулятора.

В основе работы классического ЛСЭ лежит явление вынужденного он-дуляторного излучения, под действием световой волны в резонаторе [1]. Ондулятор - это магнитная система, создающая пространственно-периодическое знакопеременное поперечное магнитное поле. В таком поле релятивистские электроны движутся по слабоизогнутой синусоидальной, либо спиральной траектории; на прямолинейное движение релятивистской частицы «накладывается» быстро осциллирующее поперечное, которое определяется размерами и геометрией поля в ондуляторе.

Для обеспечения работы ЛСЭ необходимо соблюдение условия синхронизма движения электронов и электромагнитной волны вдоль ондулятора. Для этого нужно, чтобы на каждом периоде ондулятора электроны отставали от электромагнитной волны ровно на одну длину волны. Благодаря этому, в зависимости от фазы влёта электронов, одна их половина увеличивает свою энергию, а вторая уменьшает. Этот процесс приводит к модуляции энергии электронов вдоль микросгустка с периодом электромагнитной волны, затем модуляция энергии за счёт зависимости скорости электронов от энергии переходит в модуляцию плотности [1-4]. Такой эффект требует очень высокого качества пучка по его пространственно-угловым характеристикам, но в результате получения микросгустков с характерными размерами

длины электромагнитной волны возможно значительное повышение вклада когерентного излучения электронов в полную мощность излучения (увеличение на 6-7 порядков по сравнению с излучением электронного пучка, не разбитого на микросгустки).

В современных установках ЛСЭ большое внимание уделяется однопроходному режиму самоусиления спонтанного излучения БАБЕ. В этом режиме продвижение в область мягкого рентгена возможно, при сохранении классической схемы ЛСЭ, т.е. с ондулятором, помещенным в резонатор. До длин волн нм, в резонаторе могут применяться зеркала с многослойными покрытиями, однако, для длин волн А.~0,1 нм не существует достаточно эффективных зеркал (рентгеновские зеркала), необходимых для создания резонаторов. Суть режима БАЗЕ заключается в описанном выше эффекте формирования микросгустков за счет взаимодействия пучка электронов с собственным излучением, что, как следствие, сопровождается усилением мощности излучения. Реализация этого режима накладывает дополнительные ограничения на качество пучка. Однако, для формирования микросгустков требуется некоторое время, и процесс захватывает лишь небольшую фронтальную часть электронного пучка, потому встает вопрос о возможности такой группировки еще до влета в ондулятор. Интересно, что данный процесс может быть осуществлен как в непосредственной близости от фотоинжектора (в момент зарождения электронного пучка в поле, падающей на фотоинжектор лазерной волны), так и в непосредственной близости от системы ондуляторов (когда процесс формирования пучка электронов завершен) [5, 6]. Еще одним из возможных решений этой проблемы может служить использование затравочных ЛСЭ, хотя такое решение является недешевым. А потому поиск альтернативных методов представляется актуальным.

Цель работы

Целью настоящей работы была экспериментальная проверка теоретических исследований формирования компактных пучков электронов до влета

в ондуляторную систему для увеличения интенсивности излучения ЛСЭ за счет когерентного излучения электронов в микросгустках.

Научная новизна результатов

1. Впервые экспериментально изучено влияние лазерного импульса длительностью 10 пс на модуляцию электронного пучка.

3. На установке SPARC был впервые реализован метод генерации ультракоротких импульсов лазерного излучения на ЛСЭ в режиме SASE, при так называемой «конической» геометрии ондулятора.

Научно-практическая значимость работы

Достоверность научных результатов и выводов

Личный вклад соискателя

Автор принимал участие в создании, настройке и тестировании установки SPARC для проведения экспериментов SEEDING и COMB (2009-2013 гг). В ходе проделанной работы, которая выполнялась совместно с коллективом лаборатории SPARC LAB, автор принимал участие в получении и обсуждении полученных результатов, а также в планировании дальнейших работ. Все основные результаты, указанные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в совместных исследованиях. Соискателем исследованы методы формирования микросгустков электронного пучка вблизи фотокатода инжектора (COMB) и на входе в ондуляторные секции (SEEDING).

А в эксперименте SEEDING:

• настройкой оптической системы ввода лазерного импульса в электронный пучок;

• настройкой системы преобразования ИК в ВУФ моду;

• настройкой систем фокусировки электронного пучка в каждом модуле ондулятора.

Автор также участвовал в настройке и калибровке спектрометра и в интерпретации результатов экспериментов.

В рамках эксперимента автор лично был ответственен за настройку всех 6-ти диагностических камер, расположенных между модулями ондуляторов. Были изучены механизмы ручной и программной настррйки ондуля-торной системы, а также специальные программы моделирования процесса транспортировки электронного пучка, как в промежутке до ондуляторной секции, так и в поле ондулятора: PARMELA и GENESIS 1.3. Апробация работы

Основные результаты диссертации были доложены на следующих конференциях:

• На 5-й международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Channeling 2012): Alghero, Sardinia, Italy, September 23 -28, 2012.

• Ha 2-й международной научной конференции "Наука в современном обществе": Ставрополь, Россия, 25 мая 2012.

Часть результатов, представленных в диссертации опубликована в сборнике научных трудов «Новейшие аспекты научных исследований начала XXI века»: Ростов-на-Дону, Россия, 30 апреля 2012.

Результаты, полученные в совместных исследованиях, обсуждались на семинарах LNF INFN и НИЯУ МИФИ, а также были доложены на других научных семинарах:

• Научный семинар Отделения физики высоких плотностей энергии Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, под руководством доктора физико-математических наук, профессора A.C. Шиканова, г. Москва, 12 декабря 2013 г.

• Научный семинар кафедры «Лазерной физики» № 37 НИЯУ МИФИ, под руководством доктора физико-математических наук, профессора H.H. Евти-хиева, г. Москва, 13 декабря 2013 г.

• Научный семинар Отделения физики высокой плотности энергии в веществе Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Али-ханова, под руководством доктора физико-математических наук, профессора A.A. Голубева, г. Москва, 27 марта 2014 г.

Работы, опубликованные в журналах, входящих в перечень Российских рецензируемых научных журналов ВАК РФ

1. A.B. Дик, А.З. Лигидов, E.H. Фролов, M. Ferrario, L. Giannessi. Излучение одиночной частицы при ультрарелятивистском движении в электромагнитном поле. // Известия КБГУ: Том III, № 3, стр. 12-14, 2013.

2. A.B. Дик, А.З. Лигидов, E.H. Фролов, М. Ferrario, L. Giannessi. Характеристика однопроходного лазера на свободных электронах, работающего в режиме самосогласованного усиленного спонтанного излучения (SASE). // Известия КБГУ: Том III, № 3, стр. 15-17, 2013.

3. М. Ferrario, D. Alesini, M. Anania, A. Bacci, M. Bellaveglia, O. Bogdanov, R. Boni, M. Castellano, E. Chiadroni, A. Cianchi, S.B. Dabagov, C. De Martinis, D. Di Giovenale, G. Di Pirro, U. Dosselli, A. Drago, A. Esposito, R. Faccini, A. Gallo, M. Gambaccini, C. Gatti, G. Gatti, A. Ghigo, D. Giulietti, A.Z. Ligidov, J.V. Rau at all. SPARC_LAB present and future. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms:

vol. 309, p. 183-188, 2013. (Индексируется в Web of Science и Scopus).

4. A.V. Dik, A.Z. Ligidov, S.B. Dabagov. Radiation by electrons channeled in a plasma-ion cavity. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms: vol. 309, p. 210-213, 2013. (Индексируется в Web of Science и Scopus)

Структура и объем диссертации

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность