Синхротронное излучение в неоднородном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имен;' М. В. ЛОМОНОС^ЧА Физический фогульте.т

РГ5 Ой " 5 ДЕК

На правах рукописи УДК 621.364.63

ТИТОВ Андрей Владимирович СИНХРОТРОЯНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Специальность - 01,04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фнзико - математических наук.

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии фиэическс факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физмко-натенатических

наук, доцент А.С. ЯРОВ Официальные оппоненты: доктор фиэихо-иатенатмческих

наук, профессор И.М.ТЕРНОВ доктор физико-математических наук, оед.н.с. Н. Н. ЯКИМЕНКО Ведущая организация: РНЦ Курчатовский институт

о /•) часов в аудитории -3 ' Z? на заседании

Специализированного совета N 1 ОЭТ® (шифр 053.(95. 17 ) в Московской государственном университете мм. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119899, ГСП. Мссква, Ленинские горы, МГУ, физический факультет.

С диссертацией мокло ознакомится в библиотеке физического факультета ИГУ.

- Автореферат'разослан » » a-ui-у- С_ 1994 г.

/ченый секретарь Совета кандидат фиэико-иатенатических наук 31. С. ШТЬМЕНКО

Т00ИР0(ЯШЮМЕЦТ11Р0М* Ьак.28Ь Тир.Г.ОО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы,

В |настоящее время синхротроино» излучение (СИ) олуаит

незаменимым инструментом для пнрокого круге исследователей. В таких

Областях как, например, ВУ9 - спектроскопия. ЕХАРЭ - спектроскопия,

СИ является уникальных источником, появление которого стимулировало

бурное развитие этих к&пргвлэкиЯ. В мире быстро растет число Бесьна

яорогостояких установок - синхротронов и накопителен, основной

задачей которых является инонно генерация СЯ.. Наряду с развитием

прикладных исследований вавноЯ остается задача более глубокого

изучения свойств самого источника СИ. Классическое СИ - излучение

релятивистской частицы во ,Енвпкеп .однородном магнитном поле -

изучалось на протякании многих лет. Теория этого явления, как в

ранках классической, так и сааитоеоП электродинамики, разработана к

настоявяну временя весьма подробко. Однако, сктудоня меняется, о£ли

нас интересуют точныэ иарактеривтикн излучения э реальных

установках. где внэвнэе .пола сусяствекно отличается от однородного.

Математические трудности при рассмотрении излучения в неоднородном

пол» сильно возрастают и теория (как я экспериментальны» данные)

содервмт суеаствешшэ пробелы. Исключенном является пространственно-1

периодическое поле, являющееся основой для установок, генерирующих излучение, родственное С11 - ондулитерное излучение.

4 Задача расчета пар&нетроа излучения о полях, отличающихся от

сиихротрокного « ондуляториого, представляется важной как с точки зрения более точного вычисления характеристик СЯ в реальных установках, так н для выяснения возможности получения излучение с

улучшенными характеристиками.

Целью диссертационной работы являлось:

- теоретическое исследование влияния бетьтронних колебаний не спектральные характеристики СИ в неоднородной слабофокуснруювап пегннгноп пола;

подробное теоретическое н экспериментальное исследование влияния бетатронных колебания на поляризационные характеристики СН;

теоретическое исследование характеристик СИ при наличии квазмпряполинейних участков орбиты электрона.

Научная нооиэна работы заключалась э 'следувщэи;

- впервь» исследован на рессиатриоавсз)Ясл ранее о литература процесс образования спектрального континуума СН о реальных установках, исследована возкоэюсть получения узких спектральных линий СИ в длинноволновом диапазона;

7 теоретически н экспериментально изучена поляризация СИ с неоднородной пола, причем опервыэ в экспериментальных «сслэлоеанияк поляризации СИ применялся нетод параметров Стоксо ;

- впервые подробно численно исследованы спектрально- угловые характеристики СИ вблизи края магнитного поля. Изучена зевиснность параметров излучения от крутизны пространственного спадания поля.

- обнарувено явление *сакодмфракцни* СИ на краю магнитного поля;

Научная и практическая значимость работы: /

- получены формулы, позволяющие оценить длинноволновую, границу области спектрального контииууиа СИ» 'что ноеет быть; вавно как для целей спектроскопии. так, и для возногности создания когерентных

, источников на основа СИ; ■

- развит применительно к СИ метод параметров Стокса, получены

фориуям, яоэсолпЕ>'эдо учесть деполярилаци. СИ зг. с1 г каличйп бвтатронныи колебаний;

- показано, что излучение вблизи края магнитного поля имеет ряд интересных особенностей, далаювз1х ого перспективным для практического применения. Эакнцаеныв половвмйт

- установлено. что в неоднородной ( поле спектр СИ трансформируется из-за возникновения обертонов оснсонт - гарноник излучения;

- показано, что спредолякгаэе влияние на образование континуума СИ оказывает наличие радиальных бетатроиных колебаний;

- теоретически и экспериментально проверено* что вертикальны» бетатронт» колебания обуславливает деполяризацию СИ в реальных установках;

- показано, что излучение вблизи края магнитного поля имеет болыоуа моггность и угловую направленность по сраоменип с обычнук СИ, особенно • длинноволновой области. В определи 'ных пределах, характеристики излучения слабо зависят от крутизны спада юпргго участка магнитного поля;

, - в угловой распределении излучения о кроя магнита проявляется интересная аналогия о чплеинен дифракции света на краю экрана в

ОПТИКе».

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на невдународмой конференции "Синхротрсинов излучение - 00' (г.Москва. КГУ, 1890). Публикации.

Основные результаты изложены в д опубликованных работах, список

которых приведен в конце настоящего реферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации составляет 117 страниц. Она содержит 96 страниц машинописного текста, 24 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает 104 наименовгчия.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕ?ГАЦ1.И

Во »ведении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована гель работы и кратко описана структура диссертации по главам.

Первая глава диссертации является обзорной, В §1 рассмотрены основные этапы развития и современное сос.ояние теории СИ в однородном магнитном поле. Прослежены два различных • еТодических подхода, использовавшихся в различных работах для вывода формул, описывающих спектрально- угловое распределение СИ. Рассмотрены основные теоретические и экспериментальные работы по исследованию поляризационных свойств СИ. Кратко рассмотрены квастовые свойства СИ. проблемы когерентности и эксперименты по наблюдению отдельных гармоник излучения.

В §2 ра^смо-рена динамика электронов в ускорителях неоднородны« слабофокусирущин полем. ПриЕ?дены основные выводы те лрии, касающиеся поведения пучка частиц в процессе ускорения. Дана сравнительная характеристика различны: типов колебаний электронов вблизи равновесно? орбиты, их возрожнгго влияния на характеристики

иг лучении. Проанализированы суыествуюшне работы, в которых расснатривалгсь поляризационные характеристики СИ прл наличии бетатронных колебаний.

§3 посвящен обзору родственных СИ явлений, в первую очередь ондуляторного излучения (ОИ). Приведены основные результаты теории ОИ и рассмотрены отличительные особенности этого типа излучения по сравнению с СИ. Кратко рассмотрено состояние работ по соэдгнию лгзеров на свободных электронах (ЛСЭ) на основе ондуляторных систем. Далее приведен обзор всех основных, сравнительно немногочисленных работ, касающихся исследования излучения релятивистских электронов в магнитных полях, подобных похю в прямолинейном промежутке ускорителя.

Вторая глава посвящена нееледовачню влияния бетатронных колебаний на спектральные характеристика СИ. В на основе

качественных соображений показано, что бетатронные колебания, несмотря не' относи-.ельнут малсстч их амплитуд а = Ь = 10~*. могут вносить существенные искажения в спектрально-угловые характеристики СИ. (Здесь и .галее а = A /R , b = A /R - приведенные амплитуды

Г О Z °

соответственно радиальных и вертикальных бетатронных колебаний, R0 -радиус круговой орбиты электрона в однородном магнитной поле).

В §2 ппучены формулы, описывающие спектрально-угловое [ определение излучения в неоднородном слабофокусирующем магнитном поле. Для этого рассматривг лась высокочясто . rían ассимптотика раз-ожения поля излучения в ряд Фурье и применялся метод перевала. В общем случае формула для спектрального разложения имеет сложный вид, однако позвеляг-" сделать однозначное заключение о том, что спектр излучения представля т собой набо) гармоник с частотами, являющимися

линейными комбинациями основной частоты кругового дони^ння ь>в частот радиальных ь>4 м вертикальных ы^ бета-тронных колабахмП.

ы > ишо в,«^ 2аа<>>.

г да V, I • я^ ах ~ цвлиэ числа.

В §3 проанализированы получонмыэ формулы н показано, что на формирование спектра определявшие воздействие охахыааот реднальнмэ <5отатронные колебания (I - герноннки |.

I ' I

м = 10

-2 -1

1 2

и г 10

-2 -1

1 2

и = 10

•• 1

I» = 10'

-4 -2

11

2 4 1-30 -20 -10

10 20 30 1

1

Рис. 1

Проведении^ численньй расчет по полученным формулам имел целью проследить процесс трансформации индивидуальной гарпоники СИ, вызванный влиянием радиальных колебаний электронов по пере уменьшения длины еолйы. Результаты вычислений показаны на рис.1. При ноиоре гармоники v tilg < радиодиапаэои | практически вся мощность излучается на основной гарпонихе, при i> 3 191 появляются саттелиты, соответствующие нескольким младгаин значениям |. При t> S£ 10* ( это миллиметровый диапазон) мощность |-гармоник ужа значительно, превосходит излучение на первоначальной частоте а при

Продзнгачии к дальней границе инфракрасного диапазона { и й ю4 ) спэктр у ей? представляет собой богатый ^лбор 1 - гармоник. На основании дальнейших оценок показано, что расстояние иеяду гармониками составляет . ;

Аы я «0/ lai»)

и. таким образом, возможность получения отдельных узких линий определяется амплитудой радиальных бетатронньсс колебаний, которые и формируют реальный континуум СИ. Отметим, что выделение отдельных частот моаат быть очень важно в миллиметровом или инфракрасном спектральных диапазонах, так как в них существенно когерентное излучение и ноеэт вестись речь о создании разных систем типа ЛСЭ.

Третья глава ' посвящена исследованию поляризации СИ □

неоднородном магнитной поле. В $1 кратко излагается метод описания поляризации с использование» формалнз > параметров Стокса и матрицы когерентности. Отмечено, что указанный метод, нашедший широкое применение в эллипсонетрин, до настоящего времени не использовался в экспериментах с СИ. Традиционные о— и я- компоненты, обычно

применяемые для описания СИ, очевидно не содержат всей важно? информации об эллиптически топяриэованном по своей природе излучении. Таким образом, необходимо кснстг ти; овать существенный методический недостаток, присущий экспериментальным работам, в готорпх нсследэьалась поляризация СИ.

Е §2 на основе полученннх во второй главе выражений д тя поля иэлученич прь наличии бетатронных колебаний выведены формулы для параметров Стокса СИ. Окончательные выражения существенно зависят от амплитуды вертикальных бетатронных колебаний и не зависит от амплитуды радиальных колебаний. Методика и результаты численного расчета теоретических угловых зависимое ей параметров Стокса и

полной степени ппляризачии СИ приведены г §3.

Р

1 ■-

Е.М'Л

Я

J_,

0.6

200

400

мрад

п. 8

А . *

в

5

£ ° Я

Л.

20Г>

400 Рис. 2 10

В §4 приведены экспериментальные дчнные, получен..не на сн.-м ве разработанной з предндушчх п>раграфах методики исследовании поляри: аики ГИ. И- прения проводились в различных режимах работы синхротрона ФИАМ (580 Май. Результаты одной из серий эи.перипснт()в п которой измерятдп полная степень р поляризации СИ представ.:ены нл рмс 2-

При обсуждении полу енных лксперчиентальных данных отмечаетси. что они в целом находятся в удовлетворительном согласии с теоретическими расчетами, чтт ср(детельствуег о том, что основной причиной д<поляризации СИ в неоднородном поле являются вертикальны! бетатронные колебания.

В четвертой главе исследуются свойства СИ при наличии

ква?чпрямолинейного участка траектории электронов В §1 чыбтана и качестве приближения модель с линейно спадающим магнитным полем, для характеристик!' крутизны спада шя пплп введен безразмерный покаэатечь m В §2 выведены формулы, описывающие спектрально- узловые зависимости мощности чзлучения с края магмгтного поля. Далее в численно проанализированны полученные формула для различных областей спектра (номеров гармоники v>) и значений п. Двумерные (по вер-, ика льнону углу в и горизонтальному v» угловые распределения мощности иглучения имеют структуру, подобную (.ojii цевой. Вблизи ■ си (0 = 0, v = 0 ) кваэипрянолинийного промежутка наблюдается рел.нй максимум излучения. Величина его, особенно для инфракрасной области -пектра, может на | - порядка превышать мощность ооычмого СИ. чт . делает краевое излучение перспективным для применения.

С дру.ой стороны, констатировс. ja относительно слабая эави ип-характеристик излучения от крутизны спадания магнитного по пи ;

связи с этик, уточнен критерий «резкого» крае асля, встречающийся в литературе. Отмечается, что излучение при плавной опадании поля (иаль .- 0) по суозстау является промежуточным ноиду сннкротронным и ондуляторнын.

В §4 исследовано поведение горизонтально- угловых распределений излучения с края магнитного поля для коротковолновой «видимой и рентгеновской} областей спектра. Одно из таких распределений <о-компонента поляризации» манер гармоники *» - ю" ) приведено на

рис.э.

Рисчз.

Отпечена. интересная аналогия с - картиной распределенной интенсивности света при дифракими на краю непрозрачного экрана, хорошо , известная из'оптики. В связи о эти» к указанному явлению излучения.с края магнита применен теринн •санодифракция СИ«. Далее

прослевэна математическая аналогия невшу этини явлениями (спираль, подобная спирали Хорню. применяющейся для описания дифракции света на краю экрана). 1

В §5 получены формулы, описывающие спектрально- угловые характеристики излучения при наличии двух краев магнитного поля, разделенных прямолинейным' пронепутком. . Численно исследованы 'соответстэующиэ двунерниэ угловые зависимости для различных компонент поляризации.

В эаклвченни работы сформулированы основные выводы:

1. Проведано подробное теоретическое исследование влияния ботатронных колебаний на характеристики СИ в ранках классической электродинамики. Получены формулы, описывающие спектральные и поляриэационио - угловые свойства СИ в слабофокусируюшем магнитном полз, выявлено влияние, оказываемое колебаниями на структуру спектра.

2- Впервыэ показано, что за образование континуума СИ ответственны, в первуо очередь, радиальные бетатронные колебания, за счет которых происходит расоепленнэ гармоник СИ на субгармоннкн. На. численном. примере подробно прослежен процесс формирования континуума СИ в слабофокуснруюспэм пола. • "' - -

3. Получены критерии, определяющие область спектра, где гоэможно выделение отдельных гарноник СИ. для типичных параметров синхротронов это инфракрасный и более длинноволновь! 1 диапазон.

4. Для описания поляризационных свойств СИ применен аппарат параметров Стокса, адекватно отражающий все важнейшие характеристи и эллиптической поляризации. Впервые^ получены формулы для параметров Стокса СИ в неоднородном поЛе, выражения для линейной, круговой и

полной степеней поляризации.

5. Приведены впервые полученные экспериментальные результаты измерения параметров Стокса СИ. линейной, циркулярной и полной степеней поляризации. При этом использовались как экспериментальная данные полученные автором, так и данные последующих работ с участием автора. Экспериментальные кривые находились в удовлетворительном согласии с теоретическими.

6. Получены формулы для спектрально- угловых параметров излучения при наличии прямолинейного участка орбиты, проведан численный анализ возникающих двумерных угловых распределений.

7. Проанализирована зависимость характеристик излучения от крутизны спадания поля на краю прямолинейного промежутка. Уточнен ранее применяемый критерий "резкого края*.

Э- Поведение угловых распределений излучения при наличии одного края поля обнаружило интересную аналогию с дифракцией света на краю прямоугольного экрана. В силу этого, а так» других свойств интенсивности вблизи края, превышающая СИ на 1 ~2 порядка в длинноволновой области - можно сделать вывод о перспективности дальнейшего исследования 'Явления самодифракции СИ.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. В. А.Гришанин, А.В.Титов, А.С.ЯрОв\\Краткие сообщения по физике

ОИАН СССР, 198-4 ,N 7. С.37. 2- Г.В.Демьянов, А.В.Титов, К.Н. Шории.А. С.Яров//Краткие сообшзния

по физике ФИАН СССР. 1983 . ц! 11, С. 503. Г. В. Демьянов, В.А.Орлов, А.В.Титов, К. Н. Корин, А.С.Яров