ондуляторное излучение

ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - эл--магн. излучение равномерно и прямолинейно движущихся осцилляторов ,в частности излучение заряж. частиц в ондуляторе.
Источники О. и. состоят из ускорителя или 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 представить в виде суммы скоростей: постоянной v и периодической переменной(Т - период колебаний частицы в ондуляторе, t - время). Одиночная ускоренная частица, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл--магн. волн, длительность к-рого зависит от угла между и направлением наблюдения. На расстояниях ( - длина периода траектории частицы в ондуляторе, К - число периодов)

где Испущенный частицей цуг содержит К периодов, и, следовательно, круговая частота осн. гармоники О. и. В общем случае цуги волн О. и. на интервалене являются гармоническими и излучение происходит на неск. гармониках, кратных основной. Частотыn-й гармоники 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 интервале частот к-рый определяет относительную естеств. ширину спектральной линии

При К1 О. и., наблюдаемое под заданным углом, монохроматично и имеет частоту, соответствующую (*). Осн. часть энергии, испускаемой релятивистской частицей, сосредоточена вблизи направления её мгновенной скорости v в узком диапазоне углов

где - значения энергии частицы, т - её масса, - релятивистский фактор частицы.= v/с;
Вектор v изменяет своё направление относительно в нек-ром диапазоне углов Если то частица при движении в ондуляторе излучает в основном в направлениях, близких к направлениюв диапазон углов С увеличением растёт ускорение частицы v, а следовательно, и полная интенсивность О. и. При О. и. испускается в больший диапазон углов:
В направлении наблюдения, определяемом единичным вектором n, излучение испускается эффективно только в том случае, когда мин. угол между п и v не превышает 1/. Величина спектральной плотности потока энергии О. и., испускаемого частицей в 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 важными преимуществами перед источниками синхротронного излучения, лазерами и др. источниками ИК- и оптич. диапазонов - возможностью плавно регулировать частоту излучения путём изменения величины магн. поля ондулятора и энергии частиц пучка. В ультрарелятивистском случае ( ) выражение (*) можно привести к виду
где ( - среднеквадратичное значение напряжённости магн. поля,- нек-рое характерное его значение).
Уширение спектральной линии, интенсивность и степень поляризации спонтанного О. и., а также коэф. усиления индуцированного О. и. зависят от величины углового () и энергетического () разбросов пучка частиц; эти величины должны удовлетворять условию

Характеристики ондуляторного излучения зависят также от формы пучка частиц, нелинейностей полей ондулятора и его типа.
Спонтанное нскогерентное О. и. В источниках такого излучения частицы пучка излучают независимо друг от друга. Фазы эл--магн. волн, испускаемых разл. частицами пучка, являются случайными ф-циями времени. Интенсивность излучения таких источников I_нкпропорц. току i пучка частиц:

где r_e = e²/mc²- классич. радиус частицы, е - её заряд.
Поток dn_ф/dt эквивалентных фотонов О. и. (поток полной, т. е. усреднённой по углам, энергии фотонов, делённый на макс. энергию одного фотона), испускаемых электронами в ондуляторах с поперечными гармонич. полями, в условиях оптимальной генерации равен

где В этих условиях при К = 10² один электрон, пройдя через ондулятор, испускает один фотон; пучок электронов при i = 0,1 А создаёт поток dn_ф/dt = 6 х 10¹⁷ фотонов/с независимо от энергии частиц.
Возможности источников спонтанного некогерентного О. и. можно рассмотреть на примере источника, в к-ром используется ондулятор и пучок частиц с параметрами:= 3 см,= 3000 Э, i = 0,1 А; если при этом= 1 ГэВ и 10 ГэВ, то энергия фотонов составляет ок. 150 эВ и 15 кэВ, а интенсивность О. и. - 35 Вт и 3,5 кВт соответственно. Источники О. и. с такими параметрами целесообразно создавать на основе синхротронов и накопителей электронов, в прямолинейных промежутках к-рых устанавливаются ондуляторы. В этом случае достигается высокая эффективность источников за счёт многократного прохождения частиц через ондулятор: электроны, потеряв энергию на излучение, восстанавливают её при движении в ускоряющем резонаторе синхротрона (накопителя) и затем вновь попадают в ондулятор.
Спонтанное О. и. может применяться в тех же областях исследований, что и синхротронное излучение: в рентг. микроскопии, рентг. структурном анализе, атомной и молекулярной спектроскопии, спектроскопии кристаллов, рентг. литографии, медицине и др. По сравнению с синхротронным излучением оно обладает более высокими интенсивностью, направленностью, степенью монохроматичности и поляризации.
Обычно длина периода траектории частицы в ондуляторе см, т. к. она должна быть больше его апертуры, определяемой поперечными размерами пучка (1 мм). 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 устанавливаются на краю рабочей области синхротронов, на выходе линейных ускорителей электронов, а также в электронных каналах протонных синхротронов. Поляризов. пучки фотонов, испускаемые электронами в поле поляризованной эл--магн. волны или в кристалле (когерентное тормозное излучение, каналиро-ванное излучение), используются в ядерной физике и физике высоких энергий.
Спонтанное когерентное О. и. В источниках такого 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, величиной нелинейности поля ондулятора. Осн. часть интенсивности сосредоточена в диапазоне частот и углов

где М - число сгустков пучка, r_п - поперечные размеры пучка.
Частицы в ондуляторе можно использовать в качестве активной среды лазеров. В источниках спонтанного когерентного О. и. плотность излучающих частиц - осн. параметр активной среды - в общем случае промодулирована в пространстве координат и импульсов, поэтому такие источники наз. также параметрич. лазерами на свободных электронах (ЛСЭ). Фазы эл--магн. волн, испускаемых частицами пучка в источниках спонтанного когерентного О. и., скоррелированы между собой, а интенсивность ~i², поэтому их называют также ЛСЭ на сверхизлучении.
Совр. техника группирования пучков позволяет осуществлять генерацию когерентного О. и. с 1 нм. С применением резонаторов можно увеличить интенсивность источников спонтанного когерентного О. п. в Q раз, где Q - добротность резонатора. Источники спонтанного когерентного О. и. с хорошо сгруппиров. пучками частиц позволяют получить предельно возможные характеристики излучения.
Индуцированное О. и. В источниках такого излучения используют однородные по плотности пучки частиц. В ондулятор вместе с пучком подаётся внеш. эл--магн. волна. Частицы однородного пучка равновероятно 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 частиц пучка выше нек-рой равновесной энергии, то они группируются в тормозящих фазах волны (поперечная составляющая вектора скорости электрона, определяемая в основном полем ондулятора, направлена под острым углом к вектору напряжённости электрич. поля волны), отдают ей свою кинетич. эпергию и поэтому усиливают её.
Интенсивность эл--магн. излучения, выходящего из источника индуциров. О. и., пропорц. величине

|Е_В + Е_П|² = |Е_В|² + 2|Е_ВЕ_П|- |Е_П|²,

где Е_в - напряжённость электрич. поля усиливаемой волны, Е_п - напряжённость электрич. поля, создаваемого сгруппировавшимися в сгусток частицами пучка. Вклад индуцир. О. и. пропорционален 2 | Е_ВЕ_П |. О. и. распространяется в той же области пространства и обладает теми же характеристиками, что и усиливаемая волна. Член | Е_п |² соответствует спонтанному когерентному О. и. источника, и при | Е_П |² >> 2 | Е_ВЕ_П | >> | Е_в |² (режим больших коэф. усиления) генерируется в основном спонтанное когерентное О. и. Роль внеш. волны в этом случае сводится к "затравке", группирующей пучок. Большие коэф. усиления и большие эффективности излучения источников, осуществляемые, как правило, с использованием в них ондуляторов с переменными параметрами (период траектории частиц, амплитуда магн. поля), характерны для ондуляторных усилителей (лазерных усилителей на свободных электронах, основанных на ондуляторах). Режим генерации индуцир. О. и. достигается введением в источник О. ц. резонаторов, зеркал и др. элементов, позволяющих осуществить обратную связь между излучением и 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) источников спонтанного некогерентного О. и. в оптич. диапазоне длин волн может на 3 - 4 порядка превышать параметр вырождения тепловых источников и достигать значений1 и 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 накопителе можно устанавливать неск. ондуляторов, а на каждом канале О. и. - неск. установок для разл. исследований. Источники спонтанного когерентного и индуцированного О. и. для ИК- и оптич. диапазонов длин волн также базируются как на существующих электронных ускорителях, так и на специализиров. ускорителях и накопителях для таких источников. Теория, эксперим. исследования и первый опыт эксплуатации показали, что ондуляторные источники расширят область использования когерентного излучения.
Идея генерации спонтанного О. и. впервые была высказана и обоснована В. Л. Гинзбургом в 1947. Теоретически было показано, что О. и. должно обладать рядом преимуществ перед синхротронным излучением: монохроматичностью в заданном направлении, более высокой спектральной плотностью потока энергии излучения. Была предложена схема источника, в к-ром частицы пучка проходят многократно через ондулятор, двигаясь по замкнутой траектории 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 источники спонтанного 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. были продемонстрированы в 1977 - 78 на синхротронах в Физ. ин-те АН СССР и Томском политехн. ин-те. В 1958 - 59 Р. Твиссом (R. Twiss), Моцем, Р. Пантеллом (R. Pantell), Шнайдером (J. Schneider) и А. В. Гапоновым-Греховым начали обсуждаться физ. процессы в источниках индуцир. О. и. Первые такие источники были созданы и исследованы на длине волны10см [I960, Р. М. Филлипс (Phillips)]. В 1977 Дж. Мейди (Madey) с сотрудниками продемонстрировал работу таких источников в ИК-диапазоне на Станфордском линейном ускорителе электронов.

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

Е. Г. Бессонов.

   <<      Предметный указатель      >>