Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 278-281

УСКОРИТЕЛЬ

Комплекс Новосибирский ЛСЭ [1, 2] включает в себя три лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Ондуляторы всех трех ЛСЭ установлены на разных дорожках одного и того же многооборотного ускорителя-рекуператора (УР). Упрощенная схема четырех оборотного УР показана на рис. 1. Из инжектора 1 электроны с низкой энергией направляются в высокочастотную ускоряющую структуру 2. После четырех прохождений ускоряющей структуры электроны попадают на последнюю дорожку и теряют небольшую часть своей энергии в ондуляторе ЛСЭ 4. Использованный электронный пучок замедляется в той же ускоряющей структуре и попадает в поглотитель 5, уже имея низкую энергию.

Рис. 1.

Упрощенная схема многооборотного УР: 1 – инжектор, 2 – ускоряющая структура, 3 – поворотные магниты, 4 – ондулятор, 5 – поглотитель

В качестве источника электронов используется электростатическая пушка с катодно-сеточным узлом. Напряжение, приложенное к ускорительной трубке пушки, составляет 300 кВ. Данная пушка позволяет получать электронные сгустки длительностью 1 нс, зарядом до 1.5 нКл и нормализованным эмиттансом около 20 микрон. Частота повторения сгустков может меняться от 0 до 22.5 МГц. После группирующего резонатора, работающего на частоте 180.4 МГц, сгустки сжимаются в пустом промежутке длиной около 3 м, ускоряются двумя ускоряющими резонаторами до энергии 2 МэВ, проходят через инжекционный канал и инжектируются в основную ускоряющую структуру УР (см. рис. 2).

Рис. 2.

Новосибирский УР с тремя ЛСЭ (вид сверху).

Ускоряющая структура состоит из 16 нормально проводящих высокочастотных резонаторов, присоединенных к двум волноводам. Рабочая частота резонаторов составляет 180.4 МГц. Низкая частота позволяет работать с длинными сгустками и большими токами пучка.

Новосибирский УР имеет три основных конфигурации включения магнитной системы – по одной на каждый из трех ЛСЭ. Первый ЛСЭ установлен внизу под ускоряющей структурой (см. рис. 2 и 4). Поэтому после прохождения через ускоряющую структуру электронный пучок с энергией 11 МэВ поворачивается на 180 градусов в вертикальной плоскости. После использования в ЛСЭ пучок возвращается в ускоряющую структуры в замедляющей фазе. В данной конфигурации УР работает как однооборотная установка.

Для работы со вторым и третьим ЛСЭ необходимо включить два круглых поворотных магнита. Они поворачивают пучок в горизонтальной плоскости, как показано на рис. 2. После четырех ускорений в основной ускоряющей структуре электронный пучок попадает в ондулятор третьего ЛСЭ. Энергия электронов в третьем ЛСЭ составляет 42 МэВ. Использованный пучок замедляется четыре раза и приходит в поглотитель, уже имея низкую энергию.

При включенных четырех поворотных магнитах, расположенных на второй дорожке (см. рис. 2), пучок с энергией 20 МэВ проходит через ондулятор второго ЛСЭ. После этого, благодаря правильно подобранной длине дорожки, пучок попадает в ускоряющую структуру в замедляющей фазе и после двух торможений теряется в поглотителе.

Фотография ускорительного зала, на которой видны ускоряющая структура и ондуляторы ЛСЭ, представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Ускорительный зал.

Рис. 4.

Оптические каналы вывода излучения ЛСЭ. Излучение всех ЛСЭ выводится на одни и те же пользовательские станции. Переключение между ЛСЭ осуществляется за счет убирающихся зеркал.

Следует отметить, что все 180-градусные повороты являются ахроматическими (на первой и второй горизонтальных дорожках – ахроматическими во втором порядке), но не изохронными. Данное обстоятельство позволяет настраивать продольную динамику пучка с целью повышения пикового тока в ЛСЭ и оптимизации торможения использованного пучка.

ЛСЭ

Первый ЛСЭ был введен в эксплуатацию в 2003 году [3]. Он является источником узкополосного (с шириной линии менее 1%) терагерцевого излучения, перестраиваемого в диапазоне длин волн 80–240 мкм, со средней мощностью до 0.5 кВт и пиковой мощностью до 1 МВт (импульсы с длительностью 100 пс и частотой повторения 5.6 МГц). В прошлом году было выполнено около 30 исследовательских проектов в разных областях науки с использованием излучения данного ЛСЭ [4–9].

Излучение всех трех ЛСЭ выводится на одни и те же пользовательские станции по оптическому каналу, заполненному сухим азотом. Система переключения излучения от разных ЛСЭ показана на рис. 4.

Второй ЛСЭ генерирует узкополосное излучение (с шириной линии менее 1%) в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн 40–80 мкм со средней мощностью до 0.5 кВт и пиковой мощностью до 1 МВт (импульсы длительностью 50 пс и частотой повторения 7.5 МГц). В ближайшем будущем планируется поменять старый электромагнитный ондулятор на новый ондулятор с переменным периодом [10, 11]. Это позволит существенно расширить диапазон перестройки длины волны.

Ондулятор третьего ЛСЭ установлен на четвертой дорожке, как показано на рис. 5 и 6. Весь ондулятор состоит из трех секций по 28 периодов. Каждая секция является отдельным ондулятором на постоянных магнитах с периодом 6 см и переменным зазором. Зазоры настраиваются независимо, поэтому средняя секция также может использоваться для фазировки двух крайних. Диапазон перестройки длины волны в данном ЛСЭ составляет 5–20 мкм.

Рис. 5.

УР с ондуляторами и оптическим резонатором третьего ЛСЭ.

Рис. 6.

Ондуляторы третьего ЛСЭ.

Длина оптического резонатора третьего ЛСЭ составляет около 40 м. Резонатор состоит из двух медных зеркал. В настоящее время излучение из резонатора выводится через отверстия в центре зеркал. Мы также планируем на этом ЛСЭ реализовать схему электронного вывода [12] (см. рис. 7). В данной схеме пучок группируется в первом ондуляторе за счет взаимодействия с внутрирезонаторным излучением, затем при помощи ахроматического поворота он отклоняется в поперечном направлении на небольшой угол так, что его излучение из второго ондулятора выходит под углом к оси оптического резонатора мимо переднего зеркала. Необходимо отметить, что данная схема имеет преимущество только для излучения с большой средней мощностью. Как правило, пользователям большая мощность не требуется, а вывод излучения через отверстия в зеркалах является гораздо более простым.

Рис. 7.

Схема электронного вывода излучения.

НОВАЯ ВЧ-ПУШКА

В настоящее время средний ток пучка Новосибирского УР ограничен электронной пушкой. Недавно была собрана и испытана новая ВЧ-пушка [13] (см. рис. 8), которая работает на частоте 90 МГц. На этой пушке был получен средний ток больше 100 мА [14]. Инжекционный канал для ВЧ-пушки планируется собрать на испытательном стенде в этом году.

Рис. 8.

Новая ВЧ-пушка для Новосибирского УР.

БЛАГОДАРНОСТИ

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

Работа была выполнена с использованием инфраструктуры центра коллективного пользования “Сибирский Центр Синхротронного и Терагерцевого Излучения (СЦСТИ)” института ядерной физики им. Будкера СО РАН.