Теория лазера на свободных электронах в прозрачной среде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

ТРЗЛИСЕЙ 0;!ЗлЧЕСЮЙ ИЭСКЯУТ

На правах рукописи

ПОГССЯК НАТРЯС ли1КАЕЕ0В1П

ЛАЕ2ГА НА СВОЬО£Е1ЫХ ЭЛВДРСНА2 3 ПРОЗРАЧНОЙ СРЕ^Е

Специальность: 01.04.02 - Теоретическая разика

АВТОРЕФЕРАТ.

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ереван - 1992

Работа выполнена в Ерелансши физическом институте

ьаучныи руководитель:

кандидат а-изико-матеултических наук

0$.ицлалзпне оппоненты: доктор &1з;:ко~:/,ате;.:ат::чес1с::х ввдз

Нр-Е ' - .

доктор физико-математических наук

С.Г.ОГАНЕСЯН. НПО "Еаззоная тзпккка

Ведущая организация:

институт радиофизика л одектроникн АН Армении.

Залита диссертации состоится " 1582

на заседании Специалдзлссязашюго совета Е 034.03.01 по прпсул наю учено'; степени доктора £:1з::1го-у.ате:..атглесккх наук при Ере: скогл йпз'лчеаю:.: институте 275030, Ереван, ул.Бр.Ллихакян, 2' 14 часов.

С диссертацией :го:лю ознакомиться з библиотеке ЕрЕл.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета, каяц. фк з.-кат.наук

В.А.Шахбазян

' • , V- î * 'f v

""'"■'■• ' ОЕШ ?AI:OTL:

ЗТД9Я

дг.со^гдз*

. дтуашщсть тёш. Диссертация посвящена изучению роли проз-)й среды, заполняъце:; область взаимодействия релятивистских ?ронов к внешнего излучения. Интерес к этому взаимодействию глируется возмо:кностямк как усиления внешнего излучения в уст-'вах называемых лазера/л да свободных электронах ЛСЗ , так и жого ускорения частиц в обращенных лазера:-: на свободных злек-х ОЛСЭ . Существующие теории ЛСЗ и OJZC5 можно разделить на одна из которых описывает электрон-фотонное взаимодействие [ьзуя квантовый аппарат, другая - решая уравнение, маятника в :етствукщем поле.. Однако, оба этих подхода в частности, на. д автора упускают из виду соотношение форм линий спонтанного шнего излучений, которое весьма ванно для эффективного взаи-ствия.

В диссертации строится теория IC2 п ОЛСС в присутствии среды салках разработанного аппарата показывается, что прозрачная при определенных условиях способна значительно увеличить эф-вность как лазерного ускорения, так п усиления внешнего излу-. При этом энергия электрона п среда зыбкраатся тагом образом, излучение Вавалова-Черенкова отсутствовало. - -доказывается тагске, что оптимальное энергетическое соотноше-непнего излучения и релятивистского сгустка, предлагаемое в х построенной в диссертации теории, приводит к каксикалыю ш>2 энергоотдаче и в случае .ТОО, и в случае 0£СЕ. Перечислен-ззультаты представляют интерес как с точки зрения теории, так очки зрения практической реализации прецсказываежх в диссер-резулътатов.

- 4 -

Целью настоящей работы является изучение влияния прозрачнс среды на взаимодействие релятивистского электронного сгустка и внешнего излучения в рамках теории индувдронного испускания и В1 нуэденного поглощения фотонов.

Научная новизна. Получена траектория релятивистского элект] на в неоднородном поле спирального ондулятора» исследовано влияь неоднородности поля на спектор спонтанного излучения»

Впервые предложено заполнить полость взаимодействия спирал! го ондухятора прозрачной средой, для повышения эффективности лазе го ускорения, и пршленен новый способ увеличения темпа ускорения заключающийся в подцеркании условия синхронизма в течении всего взаимодействия соответствующим изменением фактора среды.

Построена теория ЛСЗ в среде при условии .отсутствия излуче! Бавплова-Черенкова. В рамках которой показано, что при определен условиях вся энергия электронного сгустка может быть трансфоршц; на в энергию излучения.

Практическая ценность. В диссертации определена точность с торой приведенные для бесконечного ондулятора формулы описывают ле реального конечного ондулятора, выявлена погрешность описания магнитного поля в околоосевой области спирального ондулятора, ча позволяет оптимально выбирать параметры ондулятора для решения г тических задач.

. Построена теория вынужденного поглощения и индуцированногс испускания внешнего излучения релятивистским электронным сгусгкс в спиральном ондуляторе в присутствии прозрачной среды, которая наглядно описывает происходящие процессы и позволяет наиболее 01 мально выбирать соотношение энергии сгустка и параметров внешне1 излучения, что в свою очередь, является важным для практической ттпименения пои проектировании эксперимента.

- 5 -

Предложено заполнение полости взаимодействия прозрачной сре-е показано, что при определенных условиях наличие среди ь".ог.;ет ¡ести к увеличению эффективности взаимодействия на порядок. Стот ■льтат интересно бтчю бы проверить на практике.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва-

на семинарах ЕрЩ1, на Втором всесоюзном совещании по новым '.дам ускорения заряженных частиц Нор-Амберд,1289г. , на ХУ родной конференции по ускорителям высоких энергий Гамбург, г.

Структура и объем диссертации. Диссертация содергсит 8С страниц лописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, рапт 7 клясстрацоа и 75 библиографических ссплок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуядается актуальность рассмотренных в диссер-и проблем, дается краткий обзор содержания работы.

В первой главе вычисляется магнитное поле на оси спирального лятора. Найдены гранит: применимости бормул, описывающих поле си. Вычислено магнитное поле в приосевоп области спирального лятора. Псслелозана цкняшса релятивистс?сого электрона в неоц-дно'/: поле. НаПдепо спектральное распределение интенсивности чения. Проанализировано влияние неоднородности поля на спектр тайного излучения и на ширину линии излучения.

Б рассчитано магнитное поле на ос:: спирального ондулятора, едены точность и погрешность с которой получен. не . срг.-.улы мо-описызать доле реального ондулятора.

о

В §2 рассчитано магнитное поле б приосево!! области сгшралз ного ондухятора, приведена точность описания.

В §3 получена траектория реляткзнсгского электрона в пол« спирального ондулятора, приведен вип поперечного сечения траега рип в неоднородном доле.

2 <34 получек спектр- спонтанного нзлучз выведены кошу; которые будут необходим для анализа влаяная неоднородности каз нитного похя на спектр излучения.

3 §5 исследовано влияние неоднородности магнитного поля ! спектр' спонтанного ондулягорного иззгпеж'л. Показано, что неод] родность поля существенно влияет на спектр излучения высших га] кик. Также показано, что неоднородность поля приводит к дополи тельному уаирешш линии, называемой неоднородном ушрением:

Зо второй главе построена теория лазерного ускорения в сп ральноы ондухчторе в присутствии среды с учетом влияния среда форму линии спонтанного излучения. 2з закона сохранения энерги шпульса вычислен квантовый сдвиг кедпу частотами поглаженного излученного квантов. Исследовано воздействие среды на темп уск Обсуздено влияние неоднородного уширения линии спонтанного изл на темп ускорения. Предложен новый способ пролонгирования уело синхронизма на весь процесс взаимодействия. Приведена конкретн иллюстрация во*змо::аюсти повышения эффективности лазерного уско применением среды.

' В §6 рассмотрен процесс вынужденного поглощения внешнего лучения осциллирующим релятивистским электроном. Показано, что

Ли? $1'*' __ со

- 7 -

квантовая отдача, которую испытывает поглоцалщп: или издучалщиП электрон, разделяет вынугденкое поглощение л индуцированное излучение по частоте, проанализированы зозмо::аа:е соотношения сирин линий внешнего и спонтанного излучений, рассмотрены зозглолаге комбинации этих соотношении и выведено условие,при котором взаимодействие имеет злаксго/яльную эффективность.

3 §7 исследовано вяляние среда ка спсктр спонтанного ондулл-торного излучения, таЕс::е показано, что среда не влияет па титану линии излучения, позволяя при этом генерировать заданную частоту используя злектрою.: г/енылк энергаЗ, чем в случае вакуука.

3 §8 рассчитана величина квантового спзига частота 7 ^ ± _ ^

где си - излучаемая частота, и - постоянная иланка, Л/ - восприимчивость среда.

3 завпсгз.юстп от соотношений ширин лига::: внесшего п спонтанного пзлучзгл::. ир:'лзэ :ч:но значение частоты, вероятность поглощения которой г,:акс:жалько.

В §9 вычислен текп ускорения электронов б еппратыюу. оццулято-ре -в присутствии среда. Полученное выражение дня тзг.ла ускорения сравнено с аналогдчннгл для случая вакуума и показано, что среда позволяет увеличить темп ускорения'в раз.

3 §10 предложен новый способ увеличения эффективности лазерного ускорения, заключающийся в обеспечении заданно;: неоднородности среда вдоль пути пролета частицы, позволгазце."' пролонгировать условие синхронизма медду частотой электронных оецпляш" и частотой: внешнего излучения в течение всего взаимодействия. Рассчитано максимальное значение лоренц-фактора частицы, которое ыа:аю достигнуть в данных условиях? ^ ?/)/57-] 1

■■ - 8 -

де - значение частоты, внешнего излучения на которой вероят-рсть поглощения максимальна, - частота электронных осцилля-

[ИЙ.

Оценена'длина взаимодействия, на которой происходит максималь-гая энергоотдача: Ь =[ С ^ - Т*)/к~\ ^

'де Т - начальное значение лоренц-фактора частицы, Ц - коэффи-

' С

щент взаимодействия /подробнее ск. диссертацию: с.52, выражение [Ю.1) /. Приведен график зависимости относительного увеличения шергии электрона при лазерном ускорении от пути пролета частицы. Триведены такке два параметра численного расчета.

В третьей главе рассмотрено вынузденкое излучекие релятивистских электронов ъ поле накопленного спонтанного излучения в спиральном ондуляторе в присутствии среда. Рассмотрено также усиление внешнего лазерного излучения релятивистским электронным сгустком в спиральном ондуляторе со средой. Рассчитаны дифференциальный и полный коэффициенты усиления. Обсуядены результаты построенной теории.

Б §11 рассмотрен ЛСЭ в решгме генерации при наличии среды. Рассчитан коэффициент усиления излучения. Показано, что среда уменьшая фазовую скорость света и расширяя фазовое пространство взаимодействия увеличивает эффективность взаимодействия*

Б §12 построена теория ЛСЗ в среде в реядае усиления. Рассчитан дафференщ-тальньй коэффициент усиления

где Z - единица пути пролета частицы, ^ - плотность электронов в сгустке, - частотное распределение числа индуцированных

квантов, - частотное распределение числа внешних-квантов.

Приведены значения частот на которых усиление максимально. Рассчитаны потери энергии электрона в процессе взаимодействия в зависимости от пути пролета электрона: — ~ к .

_ о _

В §13 с учетом потерь энергии в зависимости от пути пролета частицы предложена заданная неоднородность среды, позволяющая пролонгировать условие синхронизма на весь процесс взаимодействия, введен полны! коэффициент усиления С (и)- ^я . Показано,

что при определенных условиях полный коэффициент усиления зависит от лоренц-фактора частицы практически прямо-пропорционально.

В §14 введен коэффициент трансформация энергии частицы в излучение • 7] — ^" , где ^ - значение лоренц-фактора после взаимодействия, рассчитана пороговая дайна взаимодействия X соответствующая практической остановке частицы в результате взаимодействия.. Отмечено, что предполагается такой выбор внешних параметров и среды, при которых многократным рассеянием модно пренебречь, а коэффициент усиления превосходит коэффициент поглощения. Приводится выражение для полного числа индуцированных квантов, подтверждающее правильность построенной теории: /к

Обсувдены граница прменимости теории и приведены графические иллюстрации: а/ показывающие зависимость восприимчивости неоднородной

среды от пути пролета электрона; б/ изменение энергии электрона от

безразмерного пути пролета ; в/ зависимость коэффициента усиления;

от пути пролета электрона.

I

В §15 приведено сравнение результатов построенной теории с результатами известного эксперимента, показано хорошее согласие теоретической кшвой с экспериментальными данными.

В заключении приведены основные результаты, полученные в работе..

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в диссертации:

I. Неоднородность магнитного поля спирального ондулятора смещает спектр излучения в сторону жестких частот, изменяет форму

- 10 -

ПШЯ2 излучения я приводит. к дополнительному ее ушярению«

2. Присутствие прозрачной среды в полости ондулятора повышает эффективность электрон-фотонного взаимодейетвия в ЛСЗ и ОЛСЭ.

3. Выбор условия синхронизма в каздом конкретном случае зависит от взашсоо'гноиенпй ыирин линий внешнего и спонтанного излучений.

4. Предложен способ сохранения условия синхронизма на весь период взш1шдействдя с помощью заданной неоднородности среды вдоль пролета частиц. 1

5. .Наличие средо в полости 'ондулятора приводит к существенному повышении темпа лазерного ускорения.

6. Заданная неоднородность'прозрачной среды, согласованная с потерией энергии электрона на излучение в ЛСЭ, монет привести практически к полной трансформации энергии электронного.сгустка в энергию излучения.

Результат!: диссертации опубликованы в работах:

/

I. Геворгян I.A., Погосян П.1\'. Квазимонохроматическое жесткое излучение в спиральном ондуляторе со средой. - йзв.АН А.рм.ССР,Физика, 1234, т.IS, зып.5, с.232-244. 2 Givot-рал L.A. ßgoüa« P.K. Quasi-^onc^romafic (riarJ RaJiatiC« * ;п a Spiral U^uhtor „¡fh /ЛеЛап Rae/. W. <4*6, * 3/,

i> ггг-zgi.

3. Геворгян Л.А., Погосян П.¡»¡. Излучение заряженной частицы в неоднородном поле спирального ондулятора. - Изв.АН Ары.ССР,Физика, т.22, бш.1, с.16-21.

4. Геворгян I.A., Погос::п U.M. Влияние среды на коэГ-Глщнент усиления ЛСЭ. Препринт ЗЗл-IOII Gl -87, Ереван, I2S7.

5. Гвворгяк Л.Л., Г.огосян Е.х. влияние срезе.' па объективность лазерного ускорслгя. Лренринт З.'И-ICII CG -£9, Преъая, 1282.

6. Гезоргян Л.Л., Погосян П.^. Влияние сред-.1 на эффективность лазерного ускорения. - БАЫТ. Серия: ядерно-физические исследована5 1990, вып.6 14 , с. S7-I0I.

7. Геворгян Л.А., Погосян П.',:. Теория ЛСЗ б присутствии среда. Препринт ШЛ - IGS9 84 -91, Ереван, 1991.

Технический редактор А.С.Абранян

Подписано в печать 07.09.S2?> Формат 60x84*16

Офсетная печать. Уч.изд.л. 0,8 Тираж150 экз.

Зак.тип. 056

Отпечатано в Ереванском физической институте Ереван-ЗВ, ул. Братьев Апиханян 2.