Наблюдение стимулированного когерентного дифракционного излучения и исследование его характеристик
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Глава 1 Характеристики когерентного дифракционного излучения и гене-
рация стимулированного когерентного дифракционного излучения . . . . . . 18
1.1 Дифракционное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 Когерентное дифракционное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3 Стимулированное когерентное дифракционное излучение . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Выводы по главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Глава 2 Экспериментальная установка на пучке линейного ускорителя LUCX 29
2.1 Линейный ускоритель электронов с многосгустковым режимом работы . . 29
2.1.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2 Высокочастотная электронная пушка с фотокатодом . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.3 50 МэВ линейный ускоритель электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.4 Детекторы параметров пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.5 Параметры пучка в ускорителе LUCX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2 Схема эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Основная идея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2 Детектор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.3 Вакуумная камера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Система перемещения зеркал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.5 Юстировка зеркал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.6 Система сбора и обработки данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.7 Настройка зеркал на генерацию ДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.8 Выводы по главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Глава 3 Экспериментальное исследование стимулированного КДИ . . . . . . . . 57
3.1 Настройка зеркал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Регистрация сигнала детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 Измерение спектрально-угловых характеристик ДИ . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Проверка условия когерентности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Настройка резонатора на накопление КДИ и СКДИ . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6 Изучение режима накопления излучения в резонаторе при изменении его
размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.7 Обнаружение и изучение процесса стимуляции КДИ в резонаторе . . . . . . 62
3.8 Определение добротности резонатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.9 Исследование коэффициента пропускания и поглощения материалов ми-
шени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10 Выводы по главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Глава 4 Моделирование параметров резонатора и накопления КДИ в резо-
наторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1 Расчет добротности резонаторов, используя данные о потерях излучения
в резонаторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 Расчет коэффициентов пропускания и отражения зеркал . . . . . . . . . . . . . 68
4.3 Расчет геометрических и дифракционных потерь на зеркалах резонатора 70
4.3.1 Расчет распределения интенсивности КДИ на поверхности зеркал в
резонаторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Использование мод Гаусса-Лагерра для получения распределения ин-
тенсивности излучения в плоскости поверхности мишени. . . . . . . . . . . . 74
4.3.3 Использование мод Гаусса-Лагерра для получения распределения ин-
тенсивности излучения в плоскости поверхности мишени. . . . . . . . . . . . 78
4.4 Выводы по главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Список рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Актуальность исследований. В 1917 году в рамках развития квантовой теории Эйн-
штейном [1] был предсказано стимулированное излучение фотонов. Излучение фотонов в пе-
реходах электронов на атомных уровнях могло быть «простимулировано» электромагнитным
излучением с характеристиками, не отличающимися от характеристик генерируемых фото-
нов. При стимуляции генерируемое излучение распространяется в направлении распростра-
нения стимулирующего электромагнитного поля, что придает стимулированному излучению
следующие свойства: одинаковые фазу, частоту, поляризацию и направление распростране-
ния. Через годы исследований стимуляция излучения была подтверждена экспериментально
и были разработаны уникальные источники когерентного излучения: мазер и лазер [2–4].
Объединение достижений ускорительной физики и физики лазеров привело к созданию
нового класса уникальных устройств – лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) [5]. В этих
устройствах ускоренные электроны стимулируют генерацию синхротронного излучения в
специальных устройствах – «вигглерах», магнитах формирующих поперечное знакоперемен-
ное магнитное поле. При помещении вигглера в резонатор, синхротронное излучение накап-
ливается в резонаторе и это электромагнитное поле модулирует структуру пучка проходящих
электронов и формирует так называемые «микросгустки». В результате происходит усиление
интенсивности генерируемого микросгустками излучения на длинах волн, совпадающих с пе-
риодичностью микросгустков, за счет когерентного эффекта. На сегодняшний день лазеры на
свободных электронах нашли широкое применение в кристаллографии, физике твердого те-
ла и клеточной биологии, являясь мощными и монохроматическими источниками излучения
с изменяемой длиной волн. Современное развитие ЛСЭ идет по пути получения уникаль-
ных параметров – уменьшение длины волны, увеличение мощности излучения, увеличения
интенсивности импульсов и уменьшение длительности импульса. Например, максимальная
мощность ЛСЭ в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения в пике со-
ставляет 2 МВт при частоте излучения от 3 до 7 ТГц [6], а в открытом в сентябре 2017 года
Европейском рентгеновском ЛСЭ (XFEL) достигают интенсивности импульсов равной 27 000
импульсов в секунду в рентгеновском диапазоне частот [7].
С другой стороны, ЛСЭ являются громоздкими установками коллективного пользования
со сложной и дорогой инфраструктурой. Поэтому создание источников с близкими пара-
метрами и меньших размеров и стоимости является актуальной задачей. Для удовлетво-
рения потребности промышленности и науки в источниках излучения, аналогичных ЛСЭ,
в различных современных исследованиях были предложены и опробованы альтернативные
механизмы получения когерентных пучков электромагнитного излучения на пучках линей-
ных электронных ускорителей с энергией порядка 10 – 50 МэВ при прохождении коротких
электронных сгустков через внешние поля (или твердотельные мишени).
сперимент (4) (3)
(5) (2)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.7 (46 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
0 (13 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.8 (1033 отзыва)
4 (15 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
