1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 2, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 223-227

Сравнение и оценка эффективности генерации излучения для различных конфигураций системы электронного вывода Новосибирского ЛСЭ

Я. В. Гетманов 1,  2, *, Я. И. Горбачёв 1, Н. А. Винокуров 1,  2, И. В. Давидюк 1,  2, В. В. Кубарев 1,  2, О. А. Шевченко 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН)
Новосибирск, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет” (НГУ)
Новосибирск, Россия

* E-mail: y_getmanov@mail.ru

Полный текст (PDF)

Аннотация

Схема электронного вывода излучения была предложена для решения проблемы перегрева зеркал оптического резонатора в лазерах на свободных электронах с большой средней мощностью излучения. В такой структуре электронный пучок, первоначально сгруппированный в первой секции ондулятора за счет взаимодействия с модой оптического резонатора, в последующих секциях поворачивается на небольшой угол относительно оптической оси с сохранением группировки, при этом его когерентное излучение выходит за пределы моды резонатора. Система электронного вывода установлена на последнем из трех лазеров Новосибирского ЛСЭ. Она состоит из трех ондуляторов и расположенных между ними двух квадруполей и дипольных корректоров. Поэтому существуют две возможные конфигурации - электронный пучок можно поворачивать как во втором ондуляторе, так и в третьем. Рассмотрены предварительные оценки мощности излучения и проведено сравнение вариантов конфигурации системы электронного вывода излучения Новосибирского ЛСЭ.

ВВЕДЕНИЕ

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются уникальными источниками электромагнитного монохроматического излучения, генерируемого ультрарелятивистскими электронными пучками в знакопеременном магнитном поле ондулятора. В отличие от других типов лазеров, ЛСЭ позволяет получать излучение любой заданной длины волны в рабочем диапазоне, причем эту длину волны можно относительно быстро перестраивать [1].

Несмотря на рекордные значения средней мощности излучения в своем рабочем диапазоне, современные ЛСЭ значительно отстают от промышленных лазеров. На сегодняшний день, максимальная средняя мощность ЛСЭ, полученная на сверхпроводящем ускорителе-рекуператоре (УР) в лаборатории Джефферсона, США (Jefferson Lab, USA) в 2006 г., составляет 14.3 кВт [2]. Это ограничивает распространение таких лазерных систем в промышленности, см., например, [3]. Предельно достижимая мощность ЛСЭ с оптическим резонатором, помимо параметров электронного тока ускорителя, ограничивается перегревом отражающих зеркал. Для предотвращения этого эффекта, при сохранении выходной мощности электромагнитной волны, была предложена схема электронного вывода излучения [4, 5]. Численные расчеты конфигураций структуры электронного вывода были проведены различными группами исследователей [6–9].

Основная идея системы электронного вывода заключается в выводе основной части электромагнитного излучения под углом к оптической оси резонаторов ЛСЭ, избегая тем самым перегрева зеркал. Принцип работы схемы следующий (см. рис. 1): электронный пучок 1 поворачивается магнитом 2 в ондулятор 3, при пролете которого действием основной моды излучения оптического резонатора 6 в пучке появляется микрогруппировка на длине волны излучения; далее сгруппированный пучок ахроматически поворачивается магнитом 5 в ондулятор 4, находящийся под углом к оптической оси, и излучает основную часть мощности 8, которая с помощью зеркала 7 направляется на пользовательские станции; после этого использованный пучок 9 выводится из системы магнитом 2.

Рис. 1.

Схема электронного вывода: 1 – электронный пучок, 2 – поворотный магнит, 3 – группирующий ондулятор, 4 – излучающий ондулятор, 5 – поворотный магнит, 6 – зеркала оптического резонатора и основная оптическая мода излучения, 7 – зеркало электронного вывода, 8 – основная часть мощности излучения, 9 – использованный электронный пучок.

ВАРИАНТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ВЫВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ НА НОВОСИБИРСКОМ ЛСЭ

Новосибирский ЛСЭ является источником высокомощного терагерцевого и инфракрасного излучений [10]. Генерация излучения возможна тремя различными ЛСЭ, использующими электронный пучок трех различных конфигураций УР. Третий ЛСЭ, запущенный в 2015 г., установлен на четырехдорожечный УР и состоит из трех ондуляторов на постоянных магнитах с регулируемым зазором (см. рис. 2) и оптического резонатора. Такое разделение ондулятора на три части было, в частности, сделано для экспериментов с электронным выводом излучения. Для этого в пустые промежутки между ондуляторами поставлены квадрупольные линзы, а на концах ондуляторов установлены дополнительные дипольные корректоры. Один из вариантов расчета и оценка возможности запуска системы электронного вывода на Новосибирском ЛСЭ изложен в [11].

Рис. 2.

Схема ЛСЭ, установленного на четырехдорожечный ускоритель-рекуператор: 1 – инжектор электронов, 2 – ВЧ резонаторы, 3 – большие поворотные магниты, 4 – поворотные магниты, 5 – квадрупольные линзы с дипольными корректорами, 6 – квадрупольные линзы, 7 – ондуляторы системы электронного вывода, 8 – зеркала оптического резонатора, 9 – поглотитель электронов.

Создание рабочей модели для численных расчетов и поиск возможных решений осложняются структурой магнитных полей элементов, которые накладываются друг на друга. Поэтому вначале для поиска приблизительного решения использовалась модель линейной оптики в программе Elegant [12] с хорошо отлаженными возможностями оптимизации. Затем полученные решения проверялись с помощью трекинга в измеренных полях элементов магнитной структуры.

Возможны два принципиально разных варианта реализации схемы электронного вывода – отклонение электронов во втором или третьем ондуляторах (см. рис. 3). В первом варианте (см. рис. 3а) для получения генерации излучения необходимо в первую очередь отклонить заряженные частицы во втором ондуляторе, сохраняя микросгустковую структуру сгруппированного электронного пучка, после чего для образования обратной связи и усиления генерации вернуть сфазированный со световой волной сгусток на ось оптического резонатора в третьем. Эти условия накладывают достаточно жесткие требования на магнитные поля дипольных корректоров и квадрупольных линз. На рис. 4а показан вариант расчета ахроматического поворота между ондуляторами. Однако сил дипольных корректоров и квадрупольной линзы второго промежутка оказывается недостаточно для возвращения отклоненного электронного пучка на оптическую ось.

Рис. 3.

Два варианта схемы электронного вывода излучения (a, б) и фотография структуры (справа): 1 – группирующий ондулятор, 2 – излучающий ондулятор, 3 – разгуппирующий ондулятор, 4 – дипольный корректор, 5 – квадрупольная линза с дипольным корректором, 6 – зеркала оптического резонатора и основная мода излучения, 7 – зеркало вывода излучения электронного вывода, 8 – излучение электронного вывода, 9, 10 – направление движения электронного пучка, 11 – угол излучения из системы электронного вывода.

Рис. 4.

Вариант-2, Ахроматический поворот и дисперсия (a) Оптические функции для вывода излучения из 3-го ондулятора (б).

Во втором случае (см. рис. 3б) нет необходимости в возвращении электронного пучка. Этот вариант был взят в качестве основного для проведения вычислений и эксперимента на установке. Оптические функции и дисперсия, посчитанные в программе Elegant, показаны на рис. 4. Для получения дополнительной дипольной коррекции квадрупольную линзу второго промежутка пришлось сдвинуть на 4 см от оси движения. Параметры электронного пучка и структуры указаны в табл. 1.

Таблица 1.  

Параметры электронного пучка и излучения ЛСЭ

Параметры Величины
Энергия, МэВ 39
Длина волны излучения, мкм 9
Средний электронный ток, мА 4
Частота следования сгустков, МГц 3.75
Пиковый ток, А 50
Нормализованный эмиттанс, мкм 30
Энергетический разброс, % 0.2
Параметр ондуляторности 1.22
Период ондулятора, м 0.06
Число периодов ондулятора 28
Угол отклонения электронного пучка, мрад 3

ОЦЕНКА ПОТЕРЬ В ОПТИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ И ЗЕРКАЛЕ ЭЛЕКТРОННОГО ВЫВОДА

Для определения режима электронного вывода излучения необходимо получить стабильный режим генерации, условием возникновения которого является равенство усиления и потерь основной моды оптического резонатора. Потери складываются из нескольких частей – отражения от зеркала электронного вывода (скрепера), вывода из отверстий оптического резонатора, рассеивания и поглощения на диафрагмах вакуумной камеры. Геометрические потери скрепера, расположенного на расстоянии $h = 20$ мм от оптической оси, имеют вид

${{c}_{g}} = \frac{1}{2}\left( {1 - {\text{erf}}\left( {{{\sqrt 2 h} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sqrt 2 h} {{{r}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{r}_{0}}}}} \right)} \right) \cong 1.107 \cdot {{10}^{{ - 3}}},$
где характерный размер моды r0 = = $\sqrt {\beta {\lambda \mathord{\left/ {\vphantom {\lambda \pi }} \right. \kern-0em} \pi }\left[ {1 - {{{\left( {{z \mathord{\left/ {\vphantom {z \beta }} \right. \kern-0em} \beta }} \right)}}^{2}}} \right]} ,$ $\lambda = 9$ мкм – ее длина волны, $\beta = 6$ м – длина Рэлея, $z = \frac{{{{L}_{0}}}}{2} - 2$ = 17.94 м – расстояние от области перетяжки, ${{L}_{0}} = 39.884$ м – длина оптического резонатора. Полные потери на скрепере равняются ${{c}_{s}} = 1 - {{\left( {1 - {{c}_{g}}} \right)}^{2}} \cong $ $2.213 \cdot {{10}^{{ - 3}}},$ или, примерно, двойным геометрическим потерям. Геометрические потери на диафрагмах fd и щелях fc вакуумной камеры соответственно равны:
${{f}_{{di}}} = \exp \left[ { - \pi {\Phi }_{i}^{2}\frac{1}{{2\lambda \beta \left( {1 + {{{({{{{z}_{i}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{z}_{i}}} \beta }} \right. \kern-0em} \beta })}}^{2}}} \right)}}} \right],$
${{f}_{{с j}}} = 1 - {\text{erf}}\left[ {\frac{{{{h}_{j}}}}{{\sqrt {\frac{{2\lambda \beta }}{\pi }} \left( {1 + {{{\left( {\frac{{{{z}_{j}}}}{\beta }} \right)}}^{2}}} \right)}}} \right],$
где ${{{\Phi }}_{i}}$ – размер i-й диафрагмы, ${{h}_{j}}$ – размер j-й щели, ${{z}_{i}}$ и ${{z}_{j}}$ – соответствующие расстояния до места перетяжки. Полные потери на проход оптического резонатора

$F = 1 - \mathop \prod \limits_i {{\left( {1 - {{f}_{{di}}}} \right)}^{4}}\mathop \prod \limits_j {{\left( {1 - {{f}_{{cj}}}} \right)}^{4}} = 0.134.$

Подробное описание расчета потерь в оптических резонаторах Новосибирского ЛСЭ, их оптимизация и настройка представлены в работе [13].

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОННОГО ВЫВОДА

Численное моделирование излучения электронного пучка проводилось в программе Genesis [14]. В начале первого ондулятора генерировался непрерывный несгруппированный электронный пучок с параметрами, рассчитанными в режиме, представленном на рис. 4, и внешняя резонансная световая волна. После пролета ондулятора полученный электронный пучок преобразовывался матрицей поворота из рассчитанного режима электронной оптики и вместе с электромагнитным полем передавался в следующий ондулятор, где повторялось моделирование движения. Излучение, полученное моделированием движения отклоненного электронного пучка в поле внешней электромагнитной волны в третьем ондуляторе, раскладывалось на основную моду оптического резонатора и остаточное поле, которое будем называть излучением электронного вывода. Вычисляя таким образом мощность основной моды ${{P}_{g}}$ на выходе из ЛСЭ и варьируя начальную ${{P}_{{in}}}$ в первом ондуляторе, подбирали коэффициент усиления, компенсирующий потери в оптическом резонаторе ${{{{P}_{g}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{P}_{g}}} {{{P}_{{in}}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{{in}}}}} = 1 + F,$ т.е. стабильный режим генерации ЛСЭ. После подбора необходимого коэффициента усиления, вычислялось распространение полученного электромагнитного поля до плоскости скрепера. Полученная в моделировании с непрерывным электронным пучком полная запасенная мощность основной моды оптического резонатора ${{P}_{g}} = 1.417 \cdot {{10}^{8}}{\;}$Вт; ее часть, попадающая на скрепер и равна ${{{{P}_{{skr}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{P}_{{skr}}}} {{{P}_{g}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{g}}}} \approx 6.5 \cdot {{10}^{{ - 4}}},$ по порядку величины соответствует оценкам потерь, сделанных ранее. Относительная мощность электронного вывода равна ${{{{P}_{{el}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{P}_{{el}}}} {{{P}_{g}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{g}}}} \approx 4.14 \cdot {{10}^{{ - 3}}}.$ Мощность излучения электронного вывода превышает рассеивание основной моды на скрепере в ${{{{P}_{{el}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{P}_{{el}}}} {{{P}_{{skr}}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{{skr}}}}} \approx 6.4$ раза.

Результаты моделирования движения непрерывного электронного пучка ввиду полученной огромной внутрирезонаторной мощности необходимо сравнить с работающим на установке квазинепрерывным режимом. Заряд электронного сгустка при среднем токе около 4 мА и частоте следования 3.75 МГц близок к 1 нКл, его длительность составляет примерно 20 пс, что соответствует пиковому току 50 А. Длительность импульса излучения при нулевой расстройке частоты следования от частоты оптического резонатора приблизительно совпадает с длительностью электронного сгустка. Тогда скважность излучения равна $7.5 \cdot {{10}^{{ - 5}}}.$ Учитывая полную внутрирезонаторную мощность излучения, полученную в моделировании, выводимую мощность излучения при частоте следования пучка 3.75 МГц можно оценить, как 640 Вт. Если принять, что электронный КПД составляет 0.004, то мощность электронного пучка, полученная из КПД излучения 640 Вт/0.004 $ \approx 1.6 \cdot {{10}^{5}}$ Вт, получается сравнимой с мощностью, полученной из энергетических соотношений 3.75 мА × 40 МэВ $ \approx 1.5 \cdot {{10}^{5}}$ Вт.

Невысокие значения мощности излучения отклоненного электронного пучка, попадающего на зеркало электронного вывода, можно объяснить, в первую очередь, снижением микрогруппировки электронов, достигающей максимального значения, как и планировалось изначально, на входе во второй ондулятор. На рис. 5 показано изменение этого параметра, рассчитанного в программе Genesis и вычисленного непосредственно из распределения электронов в моделируемом пучке, при движении заряженных частиц вдоль структуры. Несмотря на то, что повороты являются ахроматическими (области 5 и 6 на рис. 5), группировка в них полностью не сохраняется из-за ненулевого значения продольной дисперсии пустых промежутков, т.е. элемента транспортной матрицы ${{R}_{{56}}}.$ Также рис. 5 показывает отличие значения микрогруппировки электронного пучка, вычисленной по его направлению движения (область 3), от величины, определяемой с помощью программы Genesis, вдоль оптической оси резонатора (область 4).

Рис. 5.

Группировка электронного пучка в ондуляторах электронного вывода: 1 – первый ондулятор, 2 – второй ондулятор, 3 – группировка в третьем ондуляторе, посчитанная относительно оси движения электронного пучка, 4 – группировка, вычисляемая относительно оптической оси программой Genesis, 5 – пустой промежуток между 1-м и 2-м ондуляторами, 6 – ахроматический поворот между 2-м и 3-м ондуляторами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанных вычислений был получен режим ахроматического поворота электронного пучка в третий ондулятор, осуществляемого в том числе с помощью дополнительного дипольного поля, создаваемого специально сдвинутой квадрупольной линзой относительно траектории движения электронов. Данное изменение в магнитной структуре не вносит дополнительных неудобств в работу ЛСЭ для пользователей, так как значения токов в квадрупольных линзах между ондуляторами в обычных режимах генерации достаточно малы.

В 2018 г. перед летней профилактической остановкой ускорителя был проведен эксперимент, в качестве начальных параметров которого использовались данные из проделанных расчетов. Была получена генерация основной моды излучения в режиме с отклоненным электронным пучком в третьем ондуляторе и зарегистрировано излучение, попадающее в зеркало электронного вывода. Как показывают проделанные расчеты, его основную часть должно составлять именно излучение электронного вывода, превышающее рассеянную основную моду в 6 раз. Однако на данный момент полученные экспериментальные данные не позволяют это однозначно утверждать. Для этого в последующих экспериментах будет изучаться детектируемое излучение. Исследования по запуску системы электронного вывода будут продолжены.

Настоящее исследование было поддержано грантом 14-50-00080 Российского научного фонда.

Список литературы

  1. Винокуров Н.А., Шевченко О.А. // УФН. 2018. № 188. С. 493.

  2. Douglas D. et al. // Proc. of IPAC 2012. New Orleans. Louisiana. USA. 2012. P. 2111.

  3. Socol Y. et al. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2011. V. 14. P. 040702.

  4. Gavrilov N.G. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A. 1991. V. 304. P. 63.

  5. Kulipanov G.N., Sokolov A.S., Vinokurov N.A. // Nucl. Instr. and Meth. A. 1996. V. 375. P. 576.

  6. Quick D.D. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A. 1994. V. 341. P. ABS92.

  7. Blau J. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A. 1994. V. 341. P. ABS94.

  8. Hahn S.J. et al. // Nucl. Instr. and Meth. A. 1995. V. 358. P. 167.

  9. Hahn S.J., Fawley W.M. // Proc. of SPIE. 1995. V. 2376. P. 116.

  10. Matveenko A.N. et al. // Nucl. Instr. Meth. A. 2009. V. 603. P. 38.

  11. Kulipanov G.N. et al. // IEEE Trans. on THz Sci. and Techn. 2015. V. 5. №. 5. P. 798.

  12. Borland M. Advanced Photon Source LS-287, 2000.

  13. Кубарев В.В. Дисс. д-ра физ.-мат. наук. ИЯФ СО РАН. 2015.

  14. Reiche S. // Nucl. Instr. Meth. A. 1999. V. 429. P. 243.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал