Вышедшие номера
Особенности механизма когерентного оптического излучения в релятивистских ондуляторных приборах
Девятков Н.Д.1, Науменко Е.Д.1, Рухадзе А.А.2, Смирнов Е.М.1, Сретенский В.Н.
1Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
2Институт общей физики РАН, Москва, Россия
Поступила в редакцию: 11 ноября 1996 г.
Выставление онлайн: 20 октября 1997 г.

1. Целью настоящего методического сообщения является обсуждение некоторых особенностей механизма когерентного оптического излучения релятивистского электронного пучка волнообразной траекторией электронов в приборах, получивших название ондуляторных приборов или лазеров на свободных электронах. Волнообразная траектория электронов формируется специальным блоком, называемом вигглером (так в английском языке называют космический прибор, придающий пряди волос волнообразность). Излучение релятивистским электроном с волнообразной траекторией было впервые теоретически исследовано В.Л. Гинзбургом в 1947 г. [1], который предложил первую конструкцию прибора излучателя и получил формулу lambda = (l)/(2gamma2), (1) связывающую длину излучения lambda с пространственным периодом траектории l и энергией электронов, gamma=(1-u2c2)-1/2. В рассматриваемом случае вигглер представлял собой периодически меняющееся вдоль оси системы поперечное статическое магнитное поле с периодом l. Из соотношения (1) следует, что при достаточно большом релятивизме (gamma>~= 30>> 1) и миллиметровом шаге вигглера легко реализовать излучение в оптическом диапазоне частот lambda=<sssim 5000 Angstrem. В.Л. Гинзбургом было рассмотрено спонтанное излучение одним электроном. Вместе с тем известно (см. например, [2,3]), что спонтанное излучение большого числа электронов, вообще говоря, малоэффективно. Так, спонтанное излучение полностью однородного немодулированного пучка с волнообразной траекториями отдельных электронов строго равно нулю, т. е. в результате интерпретации полей излучений отдельных несфазированных электронов полное излучение обращается в нуль. Для получения ненулевого спонтанного излучения необходима предварительная продольная модуляция пучка на длине волны излучения. При хорошей модуляции пучка достигается высокая эффективность спонтанного излучения и его когерентность подобно тому, как это имеет место в кластронах в сверхвысокочастотном диапазоне излучения. Вместе с тем высокая эффективность и когерентность излучения автоматически достигаются в ондуляторных генераторах, в которых пучок может быть немодулирован, но имеются зеркала, отражающие излучение от торцов и осуществляющие положительную обратную связь в системе. Это происходит вследствие того, что электроны пучка попадают в поле собственного излучения и начинают вынужденно излучать, причем излучают когерентно и высокоэффективно. Очевидно, вынужденное излучение отдельных электронов пучка имеет место в ондуляторных приборах --- усилителях, в которых так называемый задающий генератор подает на вход системы усиливаемое излучение. Начало развития релятивистской электроники относится к концу 50-х годов, когда начала развиваться и квантовая электроника, в рамках которой создавались источники когерентного оптического излучения. Сопоставление механизмов вынужденного когерентного излучения в классичиских релятивистских и квантовых генераторах иллюстрирует корпускулярно-волновой дуализм электрона. В первом случае дискретность спектра излучения определяется дискретностью спектра собственных частот электромагнитных волн, которые могут существовать в "холодной" системе без пучка электронов. Во втором случае электроны переходят из более высокого энергетического уровня в более низкий и соответственно излучают дискретный спектр частот. Сама же электродинамическая система (резонатор) в этой области частот обладает практически непрерывным спектром частот собственных электромагнитных волн. Таким образом, механизмы вынужденного излучения в классических и квантовых приборах существенно различаются и тем не менее в развитии теории этих приборов нашлись общие подходы, что существенно обогатило физику когерентных источников излучения как квантовых, так и классических. В частности, распространение теории квантовых приборов на классические, которое в первую очередь имело место для ондуляторных приборов привело к более глубокому пониманию механизма их работы. Напомним, что при квантовом излучении нагретого термодинамически равновесного тела имеет место спонтанное излучение. Излучение отдельных частиц случайно распределено по фазам и направлениям распространения фотонов. Хотя в пределах каждой спектральной линии частота излучения довольно стабильна, но из-за случайности фаз суммарное излучение некогерентно, а вследствие интерференции ее эффективность практически равна нулю. Однако если в среде реализована инверсная заселенность уровней, то в результате переизлучения фотонов, согласно закону А. Эйнштейна об увеличении вероятности излучения в поле излучения, возникает вынужденное излучение. В результате резко возрастают интенсивность излучения и ее когерентность. Долгое время закон А. Эйнштейна и сам механизм вынужденного излучения считались чисто кавантовыми явлениями. Перенесение квантовой теории излучения на случай классических релятивистских приборов впервые было дано П. Дираком и П. Капицей, рассмотревшим процесс вынужденного излучения релятивистским электронным пучком в поле волнового вигглера, т. е. процесс вынужденного комптоновского рассеяния. Наиболее полно квантовая теория вынужденного ондуляторного излучения, т. е. квантовая теория лазера на свободных электронах изложена в обзоре М. Федорова [4]. Л. Вайнштейн, однако, показал, что при реализуемых параметрах пучка и поля вигглера квантовые эффекты ничтожны и теорию лазеров на свободных электронах можно строить чисто классически, вводя классические вероятности спонтанного и вынужденного излучений и устанавливая классический аналог соотношений А. Эйнштейна. Важно только отметить, что в классической теории вынужденное излучение --- нелинейный эффект, возникающий при учете воздействия поля излучения на движение электрона. Подробно роль квантовых эффектов в лазерах на свободных электронах обсуждается в обзоре [5] (см. также цитированную там литературу). В литературе, особенно американской, термин "лазер на свободных электронах" для вынужденного ондулярного излучения очень распространен. С нашей точки зрения, этот термин нельзя считать удачным. Он включает в себя аббревиатуру "вынужденная эмиссия излучения" --- лазер и механизм вынужденного излучения воспринимается как чисто квантовое явление. Мы предлагаем использовать термин "ондуляторное излучение", подчеркивая приоритет России в этой области [1]. Для приборов оптического ондуляторного излучения следует пользоваться сокращением ОП, в то время как для приборов радиодиапазона следует сохранить термин "убитрон", широко распространенный в классической нерелятивистской электронике. Классичность ондуляторных приборов легко усмотреть и в условии излучения [2] omega = omega0 + k||u, (2) где omega0=2pi u/l --- частота поперечных осцилляций электрона и поле вигглера. В процессе излучения вследствие потерь энергии электрона условие (2) нарушается и, как говорят, излучение насыщается. Для сохранения условия (2) необходимо постепенно вдоль длины ОП уменьшать шаг вигглера l [5] (см. также другие работы в этом сборнике). В этом проявляется аналогия ОП с такими классическими приборами СВЧ диапазона частот, как лампа обратной волны, лампа бегущей волны, гиратрон, клистрон и т. п., в которых для увеличения эффективности излучения медленно меняют какой-либо параметр прибора. Вместе с тем следует отметить, что ондуляторный прибор --- сугубо релятивистский прибор и значительного увеличения эффективности излучения таким путем получить невозможно. В связи с этим для увеличения эффективности излучения предлагается использовать метод рекуперации энергии электронов пучка. При этом надо учитывать, что обработанный в ондуляторном приборе пучок промодулирован на длине волны излучения lambda, которая не намного меньше вигглера L. Энергию же пучка следует модулировать на частоте omega0 или на длине шага вигглера l. Очевидно, что коротковолновая модуляция пучка на длинноволновую никакого влияния не оказывает и это существенно облегчает проблему рекуперации энергии. Достаточно между вигглером и коллектором пучка расположить цепочку резонаторов, осуществляющей длинноволновую модуляцию пучка, отбирая у электронов избыточную энергию. Эту энергию следует передать на входной ускоритель пучка с надлежащим подбором фазы для соблюдения условия резонанса (2). Таким путем, как нам представляется, можно достичь значительного увеличения эффективности излучения в ондуляторных приборах. Важной проблемой является также вопрос о предельной частоте излучения в ондуляторных приборах. Здесь проявляется трудность коротковолновой модуляции пучка на высокой частоте. Упомянутый выше обычный клистронный механизм модуляции скорости электронов при релятивистских энергиях малоэффективен. Альтернативным в этой области энергий эффективным механизмом представляется использование оптического клистрона [6] либо в качестве задающего генератора-модулятора в виде другого маломощного генератора ондуляторного прибора, который как будто бы не имеет ограничений на частоту излучения либо они легко преодолимы.
  1. Гинзбург В.Л. // Изв. АН СССР. Сер. физика. 1947. Т. 11. С. 1932. ДАН СССР. 1947. Т. 56. С. 145
  2. Кузелев М.В., Рухадзе А.А. // УФН. 1987. Т. 152. С. 285. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. М.: Наука, 1990
  3. Dirak P., Kapitza P. // Proc. Cambr. Phys. Soc. 1933. N 2. P. 297
  4. Федоров М.В. // УФН. 1981. Т. 135. С. 213
  5. Карбушев Н.И., Попонин В.П., Рухадзе А.А. Генераторы когерентного излучения на свободных электронах. М.: Мир, 1983
  6. Винокуров Н.А., Скринский А.Н. // Тр. VI Всесоюз. совещания по ускорителям заряженных частиц. 1979. Т. 2. С. 233. Релятивистская СВЧ электроника / Под ред. А.В. Гапонова-Грехова. Горький: ИПФАН, 1981. С. 204

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.