Создание и исследование эффективного лазера на свободных электронах в миллиметровом диапазоне длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭФФЕКТИВНОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц

и ускорительная техника 01.04.04 — физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

9-94-139

УДК 621.3.038.612/624+ 621.3.038.8

КАМИНСКИЙ Алим Константинович

Дубна 1994

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Во многих научных центрах мира проводятся интенсивные теоретические и экспериментальные исследования источников когерентного излучения - лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Интерес к ЛСЭ обусловлен тем, что на их основе физика СВЧ и техника впервые получили источники мощного когерентного электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от миллиметрового до мягкого рентгеновского с возможностью плавной перестройки частоты. Получение больших величин импульсной и средней мощности излучения в ЛСЭ-источниках оказалось возможным из-за использования для накачки ЛСЭ электронных ускорителей, а также сверхразмерных волноводов в качестве области взаимодействия. Создание источников, обладающих перечисленными выше свойствами, открывает широкие перспективы в ряде научно-технических направлений, например, в радиолокации, в ускорительной технике.

С целью значительного повышения величины ускоряющего электрического поля в создаваемых и проектируемых ускорителях в различных лабораториях мира интенсивно разрабатывются и исследуются новые схемы ускорения: коллетивный метод ускорения, лазерно-плазменный метод и др. Одной из наиболее перспективных и проработанных схем в настоящее время считается схема двухпучкового ускорителя (ДПУ), предложенная Э. Сессле-ром в 1982 году. В этой схеме ускорение электронного пучка, инжектированного из слаботочного, высокоэнергетичного ускорителя, осуществляется в высокоградиентной ускоряющей структуре, работающей на частоте (10-40)ГГц. В ряде работ по ДПУ обосновывается возможность получения в этой схеме напряженности ускоряющего поля от 100МВ/м до 500МВ/м. Расчеты показывают, что для получения требуемых значений ускоряющего поля необходимо создать в указанном частотном диапазоне источники импульсной мощности с погонной мощностью на уровне (100 - Ш0)МВт1м.

С учетом специфики ускорительного подразделения, в кото-

и др.) от характеристик электронного пучка, выбранной схемы ЛСЭ и режима его работы. Кроме того, в ряде научных центров были созданы ЛСЭ-генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с уровнем СВЧ-мощности от долей до десятков мегаватт. Как правило, эти ЛСЭ создавались на базе сильноточных (с токами в единицы и десятки килоампер) линейных ускорителей, а их эффетивности составляли доли или ешшицы процентов. Хотя эффетивность ЛСЭ зависит от многих характеристик пучка и режима работы ЛСЭ, она, как правило, является растущей функцией тока пучка и падающей функцией по отношению к энергетическому разбросу в пучке. С учетом того, что ток на на выходе ускорителя ЛИУ-3000 была в десятки или сотни раз меньше величины тока в ускорителях, на базе которых были созданы ЛСЭ-генераторы с эффективностью около процента, вопрос создания высокоэффетивнго ЛСЭ-источника на базе ускорителя ЛИУ-3000 требовал детальной проработки.

Цель работы состояла в создании высокоэффективных ЛСЭ-генератора и ЛСЭ-усилителя миллиметрового диапазона, экспериментальном и теоретическом исследованиях их характеристик и возможностей в различных режимах работы и оптимизации этих характеристик. Так как основным направлением экспериментальных работ ОНМУ все время было направление, связанное с исследованиями новых методов и схем ускорения заряженных частиц (коллективный метод ускорения, создание новых ЛИУ), то и в направленности исследований по генерации коротковолнового излучения учитывалась также возможность применения их в ускорительной проблематике.

Научная новизна работы состоит в том, что на базе линейного индукционного ускорителя ОЙЯИ ЛИУ-3000 созданы и исследованы ЛСЭ-источники 8мм-диапазона: генератор, усилитель и усилитель с профилированием поля вигглера. Эксперименты по созданию и исследованиям ЛСЭ с обратным ведущим полем опередили исследования по этому вопросу в других научных центрах. В этих экспериментах, а также в экспериментах,

в Протвино и Гармиш- Партенкирхене, на международных конференциях по ускорителям Цукубо и Гамбурге, на международных конференциях по ЛСЭ в Кобэ.

Публикации. Основу диссертации составили 12 публикаций: 11 статей в научных журналах и одно сообщение ОИЯИ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 74 страницы, включая 31 рисунок, 1 таблицу и список литературы на 58 наименований.

2 СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе (введении) сформулированы актуальность, научная значимость, новизна диссертационной рабйты, показана перспективность использования ЛСЭ-источников миллиметрового излучения при сооружении электронных коллайдеров тэвного диапазона энергий и требования, предъявляемые в этой схеме к ЛСЭ-источникам. Сформулированы тезисы, выносимые на защиту.

Во второй главе обсуждаются физические принципы работы ЛСЭ, преимущества ЛСЭ по сравнению с источниками он-дуляторного излучения. Приводится классификация ЛСЭ по величине усиления на длине области взаимодействия. Дан краткий анализ публикаций по коротковолновым ЛСЭ. Более детально анализируются ЛСЭ миллиметрового диапазона, тенденция их развития и возможные области их использования. Сформулирована задача проектирования, создания и исследования ЛСЭ-источников миллиметрового диапазона с высокой эффективностью на основе ускорительной базы ускорительного подразделения ОИЯИ - Отдела Новых Методов Ускорения (ОНМУ) и созданной на основе этого подразделения Лаборатории Сверхвысоких Энергий (ЛСВЭ). Базовой установкой, на основе которой предполагалось создание ЛСЭ, являлся импульсный линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-3000 с энергией 1.5МэВ, током 200А и длительностью импульса 200нс.

токовым спиральным ондулятором, и оптимизации распределения этого поля по длине и радиусу осуществлена транспортировка электронного пучка с плотностью тока около 1 к А/см2 (величина тока равнялась 1ь = 50 4- 75.4) при изменении поля Вш до 2.5 кГс. Приведено описание разработанной и опробованной системы коррекции когерентного угла электронного пучка.

В четвертой главе обосновывается выбор схемы и основных параметров ЛСЭ на базе ускорителя ЛИУ-3000. Показано, что в ЛСЭ может быть реализован режим высокого усиления, параметры установки находятся между комптоновским ЛСЭ высокого усиления и романовским ЛСЭ. При исследовании характеристик СВЧ-излучения в зависимости от параметров электронного пучка и магнитных полей ЛСЭ наряду с традиционным режимом ЛСЭ-генератора был реализован экспериментально неисследованный ранее режим работы ЛСЭ, в котором направления вращения электронов пучка в продольном и ондуляторном магнитных полях являются противоположными. Особенности работы ЛСЭ в этом режиме можно проиллюстрировать на рис.1. На этом рисунке показана зависимость продольной скорости электронов в ЛСЭ от величины продольного магнитного поля при фиксированном поле ондулятора. Такие зависимости, получившие название диаграмм Фройнда, появляются в результате решения уравнения четвертой степени для скорости электронов. Незначительное увеличкние поля ондулятора приводит "к увеличению раскрыва диаграммы Фройнда". Из рис. 1а видно, что фиксированному значению продольного магнитного поля соответствует, вообще говоря, три действительных значения продольной скорости электронов. Устойчивые решения, на которых возможно создание ЛСЭ, получаются на ветвях 1 и 4 (рис.1а), ветви 2 и 3 соответствуют большим значениям поперечной скорости. Большинство экспериментов по ЛСЭ были выполнены на ветви 4. Это не в последнюю очередь связано с необходимостью использования больших величин продольного магнитного поля для транспортировки сильноточных электронных пучков.

го

ю

1 А*з,

As.uu

6 8

10

0

Рис. 2. Измеренная спектральная характерис-

тика ЛСЭ-генераторов в режимах с согласным (1) и обратным (2) направлениями ведущего магнитного поля.

мощность СВЧ-излучения (3 — 5)МВт, что соответствует эффективности ЛСЭ-генератора (5 — 7)%. Однако, спектральные характеристики излучения в этих режимах сильно различаются. В ЛСЭ с согласным направлением поля наблюдался широкий спектр излучения (от 4мм до 12мм). В ЛСЭ с обратным магнитным полем излучение было сосредоточено в узком спектральном интервале, причем найден и экспериментально опробован простой способ регулировки длины волны излучения. Естественно, что в указанном интервале длин волн инкремент излучения в ЛСЭ-генераторе с обратным полем получился существенно выше, чем в реализованном ЛСЭ с согласным направлением поля. Это иллюстрируется на рис.2.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по созданию ЛСЭ-усилителя в режиме с обратным направлением ведущего магнитного поля. На основе результатов, полученных при исследовании ЛСЭ-генераторов, в режиме с обратным направлением продольного магнитного поля был создан ЛСЭ-усилитель на частоте 26,4ГГц. Получена эффективность ЛСЭ-усилителя,

щим магнитным полем. В обоих режимах получена мощность генерации (3 — 5)МВт, что соответствует КПД генераторов (5 — 7)% при токе пучка на выходе области взаимодействия (50 — 75)А.

2. Исследованы зависимости мощности и спектра СВЧ-излучения на выходе ЛСЭ от параметров электронного пучка и магнитных полей ЛСЭ. Экспериментально показано, что при одинаковом уровне СВЧ-мощности на выходе ЛСЭ в обоих исследованных режимах в ЛСЭ с обратным ведущим магнитным полем получается в десятки раз более высокая спектральная плотность излучения, чем в традиционной схеме ЛСЭ. (Под спектральной плотностью понимается отношение величины СВЧ-мощности в данном интервале длин волн к величине этого интервала). Полученный результат делает схему ЛСЭ с обратным ведущим полем перспективной для создания мощных им-пульссных узкополосных генераторов и усилителей коротковолнового излучкния.

3. Впервые в схеме со спиральным вигглером и обратным ведущим магнитным полем создан ЛСЭ-усилитель на частоте 36.4ГГц. Проведено исследование характеристик излучения усилителя. На выходе ЛСЭ получена СВЧ-мощность (3 — 5)МВт, что соответствует эффективности усилителя (5 — 7)%. Этот уровень мощности соответствует режиму насыщения усилителя.

4. В режиме ЛСЭ-усилителя с обратным ведущим магнитным полем осуществлено профилирование магнитного поля вигглера по определенному закону, что позволило увеличить КПД усилителя до (20 — 30)%.

5. Проведены исследования характеристик пучка ЛИУ-3000 и оптимизация системы инжекции пучка в магнитную систему ЛСЭ. В области взаимодействия

6. Викторов Ю. Б., Драганов А. Б., Каминский А. К. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование параметрической неустойчивости в РЭП.- ЖТФ, том 81, вып.4, 1991, с. 133 -140.

7. Kaminsky А.А., Kaminsky А.К., Rubin S.B. et al. Investigation of FEL with strong helical pump and backward guide field.-Proceeding of Third International Workshop on Linear Colliders LC91, BINP, Protvino (1991), p. 228-241.

8. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Rubin S.B. et al. Investigation of FEL with strong helical pump and backward guide field. -Proceeding of SPIE Conference 1629 "Intense Microwave and Particle Beams IIP, Los-Angeles, 1992, p.581.

9. Буланов H.A., Голубев И.И., Каминский A.A. и др. Подготовка эксперимента по двухпучковому ускорению в ЛСВЭ ОИЯИ.- Аннотации докладов на тринадцатом совещании по ускорителям заряженных частиц. ЛХубна,1992.

10. Каминский А.А., Каминский А.К., РубинС.Б. и др. Исследование ЛСЭ с сильной спиральной накачкой и обратным ведущим полем. - Релятивистская высокочастотная электроника, Нижний Новгород, вып. 7, 1992, с. 60-80.

11. A.A. Kaminsky, A.K.Kaminsky, N.I.Karbushev et al. Cyclotron resonance in a FEL with a spiral undulator and ал inverse axial magnetic field. Nuclear Instrument and Methods in Physical Research, A331 (1993), p. 531-534.

12. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Sarantsev V.P. et al. Investigation of Microvawe FEL with Reversed Guide Field.- 15th International FREE Electron Laser Conference. Book of Abstracts, Hague, 1993, p.13.

Рукопись поступила в издательский отдел 20 апреля 1994 года.