Введение к работе
Актуальность проблемы. Лазеры на свободных электронах (Л СЭ) относятся к числу перслективмых приборов, предназначенных для генерации или усиления электромагнитного излучения. В ЛСЭ для этой цели используется ондулятор-ное излучение релятивистских электронных потогоа.
Быстрое развитие ЛСЭ в последние годы и перспектива их широкого применения обуславливается рядом возможных преимуществ этих устройств перед другими источниками когерентного излучения, в том числе и обычными лазерами. Главные достоинства ЛСЭ — это плавная перестройка излучения по частоте, проводящаяся при изменении энергии пучка или индукции магнитного поля накачки, и возможность работы в режиме коротких пикосекундных импульсов.
Параметры лазерного излучения зависят от характеристик электронного пучка я магнитного ондулятора. Так, длина волны (в слаботочном приближении) оказывается порядка:
еДзАо
где К — — параметр ондуяяторности, с — скорость света, т. — масса
электрона, -% — релятивистский Лоренц-фактор. Для типичных характеристик магнитного поля ондулятора (индукции Д> — несколько килогаусс и периода Ао — несколько cm) величина К и 1 и длина волны излучения А, ~ -J. Поэтому макроскопическая система ЛСЭ даже со слаборелятивистскими пучками может производить коротковолновое излучение. Благодаря плавному изменению длины волны излучения, ЛСЭ, как никакое другое устройство, может работать в широком диапазоне электромагнитного спектра — в далекой и ближней ИК, оптической и , в перспективе, УФ областях.
В настоящее время действующих и создаваемых установок данного типа насчитывается более сорока во всем мире. Несмотря на значительные успехи
в исследованиях ЛСЭ и оптнмнстичгские прогнозы, имеется ряд пока неразрешенных проблей. Одна из них — достаточно низкий к. п. д. Эффективность излучения ЛСЭ (доля преобразованной энергии электронов в излучение) в ИК области спектра ограничивается несхолькимн процентами, причем при переходе в более коротковолновый диапазон (с повышением релятивизма пучка) падает до малых долей процента.
Увеличение эффективности выходного излучения возможно в ЛСЭ с переменными параметрами, например, магнитного поля ондулятора. Эффективность излучения таких устройств значительно превышает к. п. д. ЛСЭ обычной конструкции и может составлять более двух десятков процентов. Тем не менее, эффективность излучения ЛСЭ пока не достигла значений, характерных для к. п. д. , схажем, элехтронных приборов. Это отчасти обусловлена тем, что экспериментальное изучение лазеров иа свободных электронах проводится не на специальной, а на имеющейся ускорительной технике, неоптииальной для такого использования.
Наряду с разработкой специальных ускорителей и совершенствованием необходимого оборудования ЛСЭ, актуальными являются теоретические исследования, ориентированные на отыскание резервных способов повышения к. п. д. имеющихся устройств. Несмотря на значительный прогресс в понимании физики явлений, протекающих в ЛСЭ, и достижения в численных методах исследования , аналитическая модель, описывающая оптимальный режим усиления ЛСЭ с высоким к. п. д., отсутствует. На этом пути оказывается важным изучение предельных возможностей ЛСЭ по усилению электромагнитного излучения и проведение оценок максимальной эффективности этого прибора.
Целью работы является:
Получение аналитических соотношений для эффективности излучения ЛСС при оптимальном режиме коллективного усиления затравочного сигнала в условиях канапированхя излучения с выходом процесса усиления на насыщение при захвате частиц пучка пондеромоторной волной.
-
Исследование развития пучковой неустойчивости в ЛСЭ при внесения в систему электромагнитного возмущения — затравочной волны.
-
Изучение возможности коллективного усиления электромагнитной волны электронными сгустками группирующегося пучка и получение соответствующего условия для тока пучка.
-
Рассмотрение условий каналхрования потока электромагнитного излучения в ЛСЭ и возможности его сильного сжатия в пределах электронного пучка.
-
Изучение оптимального для получения высокого к. п. д. механизма выхода системы в предельный режим нелинейного насыщения и формулировка условий, при которых насыщение в системе происходит вследствие захвата частиц пондеромоторной волной либо из-за "нелинейного сдвига частоты".
-
Исследование нелинейной динамики электронного пучка и волны излучения после насыщения вынужденных процессов в ЛСЭ и получение соотношения для нелинейной мощности излучения.
-
Получение аналитических выражений для предельного к. п. д. излучения при поиояш эволюционных соотношений и законов сохранения для потоков плотностей энергии и импульса.
-
Определение нелинейной зависимости тока пучка ЛСЭ и характеристик выходного излучения и получение иа ее основе оценочной формулы для максимальной эффективности как функции тока ЛСЭ с постоянными параметрами.
-
Получение соотношения для предельного к. п. д. в зависимости от тока электронного пучка в ЛСЭ с варьируемыми параметрами.
-
Рассмотрение условий получения мощного излучения в сильноточном ИСЭ с ондулятором, заполненным газовой плазмой.
Новизна работы. Рассмотрена аналитическая модель, описывающая оптимальный режим усиления сильноточного ЛСЭ в условиях каналирования вы-содного электромагнитного потока: коллективное взаимодействие электрояно-
го пучка с волной излучения в иагнитяоы поле ондулятора с выходом этого процесса на насыщение при захвате электронных сгустков замедленного пучка в потенциальные ямы пондеромоторной волны.
Предложен метод оценки предельной эффективности ЛСЭ в таком режиме с использованием эволюционных соотношений (уравнения движения частиц пучка в потенциальных ямах л волнового уравнения для нелинейной амплитуды волны излучения) и законов сохранения потоков энергии и импульса. Данный подход позволяет получить самосогласованную связь предельного к. п. д. и тока пучка при помощи соотношения для предельной фазовой скорости электромагнитной волны, содержащего конкретный закон изменения параметров магнитного поля ондулятора к зависимость от скорости захваченных частиц.
Впервые исследована возможность распространения сильноточного пучка ЛСЭ в ондуляторе с плазменным заполнением. При определенных условиях такая среда быстро компенсирует заряд и ток пучка, удерживая зараженные частицы в его пределах.
Научна* и практическая ценность. Рассмотренный в диссертации однопроходный режим сильноточного ЛСЭ с быстрым ростом амплитуды электромагнитной волны является прототипом реальной генераторной схемы ЛСЭ с предельной эффективностью излучения.
Выход системы в нелинейный режим насыщения характеризует предельные возможности устройства по усилению электромагнитного излучения. Предложенный в диссертации подход позволяет выявить резервные возможности действующих ЛСЭ по повышению к. п. д. электромагнитного излучения.
С помощью законов сохранения в потоковой форме в рассматриваемом методе самосогласованным образом учитывается уменьшение фазовой скорости электромагнитной волны излучения в процессе его усиления в ЛСЭ (полученное соотношение для к. п. д. зависит от предельного ее значения), а в нелинейных соотношениях для мощности и предельной эффективности учитывается изменение поперечной составляющей амплитуды электромагнитного поля и фазовая
динамика электронного пучка.
Оценочное соотношение для к. п. д. как функции тока пучка оказывается удобным для проведения оптимизации параметров пучка и ондулятора ЛСЭ по расчетным для данного устройства значениям предельной эффективности, а предложенный анализ коллективного усиления ЛСЭ с выходом в предельное состояние насыщения можно использовать для обсуждения возможности реализации такого режима в конкретных устройствах.
Используемый для опенки к. п. д. подход носит общий характер и может быть применен для описания коллективного режима ЛСЭ с пучками и магнитными ондуляторами любой конфигурации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на
Конференции по ускорителям заряженных частиц г. Дубна, 1994 г.
Международной конференции по ускорителям (США, Даллас, 1995 г. )
и отражены в шести научных работах, включая два препринта — препринт НИИЯФ МГУ и препринт ФИ РАН ии. Лебедева.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц текста, включает 16 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 99 наименований.
