Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - эл.-магн. <излучение равномерно и прямолинейно движущихся осцилляторов, в частностиизлучение заряж. частиц в ондуляторе.

Источники О. и. состоят из ускорителяили накопителя частиц (чаще электронов) и одного или неск. ондуляторов. <Пучки заряж. частиц в источниках О. и. могут испускать спонтанное некогерентное, <спонтанное когерентное и индуциров. О. и.

Скорость частицы в ондуляторе можно представитьв виде суммы скоростей: постоянной v и периодической переменной ( Т- период колебаний частицы в ондуляторе, t - время). Одиночнаяускоренная частица, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл.-магн. волн, <длительность к-рого зависит от угла между и направлением наблюдения. На расстояниях ( - длина периодатраектории частицы в ондуляторе, К - число периодов)

где Испущенный частицей цуг содержит К периодов, и, следовательно, круговаячастота осн. гармоники О. и.В общем случае цуги волн О. и. на интервале неявляются гармоническими и излучение происходит на неск. гармониках, кратныхосновной. Частоты n -йгармоники определяются в соответствии с Доплера эффектом ф-лой

где - частота колебаний частицы в ондуляторе. При = 0 частоты О. и. максимальны. Вследствие конечной длительности цугов О. <и., испускаемое частицей в нек-ром направлении, распределено в интервалечастот к-рый определяет относительную естеств. ширину спектральной линии

При К 1О. и., наблюдаемое под заданным углом ,монохроматично и имеет частоту, соответствующую (*). Осн. часть энергии, <испускаемой релятивистской частицей, сосредоточена вблизи направления еёмгновенной скорости v в узком диапазоне углов

где - значения энергии частицы, т - её масса,- релятивистский фактор частицы.=v/с;

Вектор v изменяет своё направлениеотносительно в нек-ром диапазоне углов Если то частица при движении в ондуляторе излучает в основном в направлениях, <близких к направлению вдиапазон углов С увеличением растёт ускорение частицы v, а следовательно, и полная интенсивностьО. и. При О. <и. испускается в больший диапазон углов:

В направлении наблюдения, определяемомединичным вектором n, излучение испускается эффективно только втом случае, когда мин. угол между п и v не превышает 1/.Величина спектральной плотности потока энергии О. и., испускаемого частицейв направлении на первой гармонике, достигает макс. значения при (условие оптимальной генерации). При число гармоник О. <и. с ростом резко (~) возрастает, <что приводит к расширению его спектра и сдвигу в более коротковолновую(жёсткую) область. При спектр О. н. становится близким к спектру синхротронного излучения.

Источники О. и. всех типов обладают важнымипреимуществами перед источниками синхротронного излучения, лазерами и др. <источниками ИК- и оптич. диапазонов - возможностью плавно регулироватьчастоту излучения путём изменения величины магн. поля ондулятора и энергиичастиц пучка. В ультрарелятивистском случае () выражение (*) можно привести к виду

где ( - среднеквадратичноезначение напряжённости магн. поля, -нек-рое характерное его значение).

Уширение спектральной линии, интенсивностьи степень поляризации спонтанного О. и., а также коэф. усиления индуцированногоО. и. зависят от величины углового ( )и энергетического ( )разбросов пучка частиц; эти величины должны удовлетворять условию

Характеристики ондуляторного излучениязависят также от формы пучка частиц, нелинейностей полей ондулятора и еготипа.

Спонтанное нскогерентное О. и. В источникахтакого излучения частицы пучка излучают независимо друг от друга. Фазыэл.-магн. волн, испускаемых разл. частицами пучка, являются случайнымиф-циями времени. Интенсивность излучения таких источников I _нк пропорц. <току i пучка частиц:

где r_e = e²/mc² -классич. радиус частицы, е- её заряд.

Поток dn _ф/dt эквивалентныхфотонов О. и. (поток полной, т. е. усреднённой по углам, энергии фотонов, <делённый на макс. энергию одного фотона), испускаемых электронами в ондуляторахс поперечными гармонич. полями, в условиях оптимальной генерации равен

где В этих условиях при К =10² один электрон, пройдя черезондулятор, испускает один фотон; пучок электронов при i= 0,1 Асоздаёт поток dn _ф/dt =6 х 10¹⁷ фотонов/снезависимо от энергии частиц.

Возможности источников спонтанного некогерентногоО. и. можно рассмотреть на примере источника, в к-ром используется ондулятори пучок частиц с параметрами:=3 см,= 3000Э, i= 0,1 А; если при этом =1 ГэВ и 10 ГэВ, то энергия фотонов составляет ок. 150 эВ и 15 кэВ, а интенсивностьО. и. - 35 Вт и 3,5 кВт соответственно. Источники О. и. с такими параметрамицелесообразно создавать на основе синхротронов и накопителей электронов, <в прямолинейных промежутках к-рых устанавливаются ондуляторы. В этом случаедостигается высокая эффективность источников за счёт многократного прохождениячастиц через ондулятор: электроны, потеряв энергию на излучение, восстанавливаютеё при движении в ускоряющем резонаторе синхротрона (накопителя) и затемвновь попадают в ондулятор.

Спонтанное О. и. может применяться в техже областях исследований, что и синхротронное излучение: в рентг. микроскопии, <рентг. структурном анализе, атомной и молекулярной спектроскопии, спектроскопиикристаллов, рентг. литографии, медицине и др. По сравнению с синхротроннымизлучением оно обладает более высокими интенсивностью, направленностью, <степенью монохроматичности и поляризации.

Обычно длина периода траектории частицыв ондуляторе см, т. к. она должна быть больше его апертуры, определяемой поперечнымиразмерами пучка (1мм). Более жёсткое излучение (с энергией квантов )при меньшей эффективности генерации испускается в ондуляторах с << 1 см. Такими ондуляторами могут служить, напр., эл.-магн. волны(обратный Комптона эффект )и кристаллы. Кристаллы устанавливаютсяна краю рабочей области синхротронов, на выходе линейных ускорителей электронов, <а также в электронных каналах протонных синхротронов. Поляризов. пучкифотонов, испускаемые электронами в поле поляризованной эл.-магн. волныили в кристалле (когерентное тормозное излучение, каналиро-ванное излучение),используются в ядерной физике и физике высоких энергий.

Спонтанное когерентное О. и. В источникахтакого излучения используют пучок частиц, предварительно сгруппированный(сбанчированный) в сгустки длиной находящиеся друг от друга на расстоянии равном или кратном Их интенсивность

I _ког =N₁SI _нк

где - число частиц в одном сгустке пучка, S3- интегральный фактор когерентности излучения, определяющийся размерами, <угл. и энергетич. разбросом пучка частиц, степенью его группировки, величинойнелинейности поля ондулятора. Осн. часть интенсивности сосредоточена вдиапазоне частот и углов

где М - число сгустков пучка, r _п- поперечные размеры пучка.

Частицы в ондуляторе можно использоватьв качестве активной среды лазеров. В источниках спонтанного когерентногоО. и. плотность излучающих частиц - осн. параметр активной среды - в общемслучае промодулирована в пространстве координат и импульсов, поэтому такиеисточники наз. также параметрич. лазерами на свободных электронах (ЛСЭ).Фазы эл.-магн. волн, испускаемых частицами пучка в источниках спонтанногокогерентного О. и., скоррелированы между собой, а интенсивность ~i²,поэтому их называют также ЛСЭ на сверхизлучении.

Совр. техника группирования пучков позволяетосуществлять генерацию когерентного О. и. с 1 нм. С применением резонаторов можно увеличить интенсивность источниковспонтанного когерентного О. п. в Q раз, где Q - добротность резонатора. <Источники спонтанного когерентного О. и. с хорошо сгруппиров. пучками частицпозволяют получить предельно возможные характеристики излучения.

Индуцированное О. и. В источниках такогоизлучения используют однородные по плотности пучки частиц. В ондуляторвместе с пучком подаётся внеш. эл.-магн. волна. Частицы однородного пучкаравновероятно попадают как в тормозящие, так и в ускоряющие фазы волны. <Изменение энергии частиц, находящихся в противофазах, равны по величине, <но противоположны по знаку, поэтому частицы начинают двигаться с разл. <продольными скоростями и группируются в сгустки. Если нач. энергия частицпучка выше нек-рой равновесной энергии, то они группируются в тормозящихфазах волны (поперечная составляющая вектора скорости электрона, определяемаяв основном полем ондулятора, направлена под острым углом к вектору напряжённостиэлектрич. поля волны), отдают ей свою кинетич. эпергию и поэтому усиливаютеё.

Интенсивность эл.-магн. излучения, выходящегоиз источника индуциров. О. и., пропорц. величине

|Е _В + Е _П|²= |Е _В|² + 2|Е _В Е _П|- |Е _П|²,

где Е _в - напряжённость электрич. <поля усиливаемой волны, Е _п - напряжённость электрич. поля, создаваемогосгруппировавшимися в сгусток частицами пучка. Вклад индуцир. О. и. пропорционален2 | Е _В Е _П |. О. и. распространяется в той же областипространства и обладает теми же характеристиками, что и усиливаемая волна. <Член | Е _п |² соответствует спонтанному когерентномуО. и. источника, и при | Е _П |² 2 | Е _В Е _П| | Е _в |² (режим больших коэф. усиления) генерируетсяв основном спонтанное когерентное О. и. Роль внеш. волны в этом случаесводится к "затравке", группирующей пучок. Большие коэф. усиления и большиеэффективности излучения источников, осуществляемые, как правило, с использованиемв них ондуляторов с переменными параметрами (период траектории частиц, <амплитуда магн. поля), характерны для ондуляторных усилителей (лазерныхусилителей на свободных электронах, основанных на ондуляторах). Режим генерациииндуцир. О. и. достигается введением в источник О. ц. резонаторов, зеркали др. элементов, позволяющих осуществить обратную связь между излучениеми излучающей системой.

Источники спонтанного некогерентного О. <и. могут испускать излучение в широком диапазоне частот - от ИК- до гамма-излучения. <Такое О. и. может обладать достаточно высокими монохроматичностью и длиной когерентности степенью поляризации ~100%, вид к-рой можно изменять в ходе эксперимента. <Излучение можно оперативно перестраивать по частоте в широких пределах(в неск. раз). Мощность таких источников растёт с уменьшением и достигает значений Р~ 1 кВт (при ~0,1 нм). Параметр вырождения (плотность числа фотонов в одной моде) источниковспонтанного некогерентного О. и. в оптич. диапазоне длин волн может на3 - 4 порядка превышать параметр вырождения тепловых источников и достигатьзначений 1и с уменьшением длины волны падает по степенному, а не по экспоненциальному(как для тепловых источников) закону.

Источники спонтанного некогерентного О. <и. на основе накопителей получили широкое распространение. На накопителеможно устанавливать неск. ондуляторов, а на каждом канале О. и. - неск. <установок для разл. исследований. Источники спонтанного когерентного ииндуцированного О. и. для ИК- и оптич. диапазонов длин волн также базируютсякак на существующих электронных ускорителях, так и на специализиров. ускорителяхи накопителях для таких источников. Теория, эксперим. исследования и первыйопыт эксплуатации показали, что ондуляторные источники расширят областьиспользования когерентного излучения.

Идея генерации спонтанного О. и. впервыебыла высказана и обоснована В. Л. Гинзбургом в 1947. Теоретически былопоказано, что О. и. должно обладать рядом преимуществ перед синхротроннымизлучением: монохроматичностью в заданном направлении, более высокой спектральнойплотностью потока энергии излучения. Была предложена схема источника, вк-ром частицы пучка проходят многократно через ондулятор, двигаясь по замкнутойтраектории в магн. системах типа синхротронов с прямолинейными промежутками. <Дальнейшее развитие теория О. и. получила в работах Г. Моца (Н. Motz) (1951- 53). Им на основе линейных ускорителей были построены первые источникиспонтанного когерентного О. и., исследованы свойства О. и. этих источников. <Визуально наблюдалась цветная радужная картина О. и. в оптич. диапазоне, <согласующаяся с теоретически полученной зависимостью частоты от угла Уникальные возможности источников спонтанного некогерентного О. и. былипродемонстрированы в 1977 - 78 на синхротронах в Физ. ин-те АН СССР и Томскомполитехн. ин-те. В 1958 - 59 Р. Твиссом (R. Twiss), Моцем, Р. Пантеллом(R. Pantell), Шнайдером (J. Schneider) и А. В. Гапоновым-Греховым началиобсуждаться физ. процессы в источниках индуцир. О. и. Первые такие источникибыли созданы и исследованы на длине волны 10см[I960, Р. М. Филлипс (Phillips)]. В 1977 Дж. Мейди (Madey) с сотрудникамипродемонстрировал работу таких источников в ИК-диапазоне на Станфордскомлинейном ускорителе электронов.

Лит.: Синхротронное излучение иего применения, 2 изд., М., 1985; Бессонов Е. Г., К теории параметрическихлазеров на свободных электронах, "Квантовая электроника", 1986, т. 13,№ 8, с. 1617; его же, О пространственно-временной когерентности ондуляторногоизлучения, "ЖТФ", 1988, т. 58, в. 3, с. 498 (библ.); Генераторы и усилителина релятивистских электронных потоках. Сб. ст., под ред. В. М. Лопухина, <М., 1987; Алексеев В. <И. [и др.], Параметрический лазер на свободных электронахна основе микротрона, "ДАН СССР", 1989, т. 306, №3, с. 580; Бессонов Е. <Г.,Виноградов А. <В., Ондуляторные и лазерные источники мягкого рентгеновскогоизлучения, "УФН", 1989, т. 159, с. 143; Ондулятор-ное излучение, Лазерына свободных электронах, "Труды ФИАН", 1991, т. 214.

Е. Г. Бессонов.