к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

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 переменной15012-39.jpg(Т - период колебаний частицы в ондуляторе, t - время). Одиночная ускоренная частица, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл--магн. волн, длительность к-рого15012-40.jpg зависит от угла15012-41.jpg между15012-42.jpg и направлением наблюдения. На расстояниях15012-43.jpg (15012-44.jpg - длина периода траектории частицы в ондуляторе, К - число периодов)

15012-45.jpg

где15012-46.jpg Испущенный частицей цуг содержит К периодов, и, следовательно, круговая частота осн. гармоники О. и.15012-47.jpg В общем случае цуги волн О. и. на интервале15012-48.jpgне являются гармоническими и излучение происходит на неск. гармониках, кратных основной. Частоты15012-49.jpgn-й гармоники определяются в соответствии с Доплера эффектом ф-лой

15012-50.jpg

где15012-51.jpg - частота колебаний частицы в ондуляторе. При15012-52.jpg = 0 частоты О. и. максимальны. Вследствие конечной длительности цугов О. и., испускаемое частицей в нек-ром направлении, распределено в интервале частот15012-53.jpg к-рый определяет относительную естеств. ширину спектральной линии

15012-54.jpg

При К15012-55.jpg1 О. и., наблюдаемое под заданным углом15012-56.jpg, монохроматично и имеет частоту, соответствующую (*). Осн. часть энергии, испускаемой релятивистской частицей, сосредоточена вблизи направления её мгновенной скорости v в узком диапазоне углов

15012-57.jpg

где15012-58.jpg - значения энергии частицы, т - её масса,15012-59.jpg - релятивистский фактор частицы.15012-60.jpg= v/с;
Вектор v изменяет своё направление относительно15012-61.jpg в нек-ром диапазоне углов15012-62.jpg Если15012-63.jpg то частица при движении в ондуляторе излучает в основном в направлениях, близких к направлению15012-64.jpgв диапазон углов15012-65.jpg С увеличением15012-66.jpg растёт ускорение частицы v, а следовательно, и полная интенсивность О. и. При15012-67.jpg О. и. испускается в больший диапазон углов:15012-68.jpg
В направлении наблюдения, определяемом единичным вектором n, излучение испускается эффективно только в том случае, когда мин. угол между п и v не превышает 1/15012-69.jpg. Величина спектральной плотности потока энергии О. и., испускаемого частицей в направлении15012-70.jpg на первой гармонике, достигает макс. значения при15012-71.jpg (условие оптимальной генерации). При15012-72.jpg число гармоник О.и. с ростом15012-73.jpg резко (~15012-74.jpg) возрастает, что приводит к расширению его спектра и сдвигу в более коротковолновую (жёсткую) область. При15012-75.jpg 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 (15012-76.jpg ) выражение (*) можно привести к виду15012-77.jpg
где15012-78.jpg15012-79.jpg (15012-80.jpg - среднеквадратичное значение напряжённости магн. поля,15012-81.jpg15012-82.jpg- 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 (15012-83.jpg) и энергетического (15012-84.jpg) разбросов пучка частиц; эти величины должны удовлетворять условию

15012-85.jpg15012-86.jpg15012-87.jpg

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 функциями времени. Интенсивность излучения таких источников Iнкпропорц. току i пучка частиц:

15012-88.jpg

где re = e2/mc2- классич. радиус частицы, е - её заряд.
Поток dnф/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

15012-89.jpg

где15012-90.jpg В этих условиях при К = 102 один электрон, пройдя через ондулятор, испускает один фотон; пучок электронов при i = 0,1 А создаёт поток dnф/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:15012-91.jpg= 3 см,15012-92.jpg= 3000 Э,15012-93.jpg i = 0,1 А; если при этом15012-94.jpg= 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 ондуляторе15012-95.jpg см, т. к. она должна быть больше его апертуры, определяемой поперечными размерами пучка (15012-96.jpg1 мм). Более жёсткое излучение (с энергией квантов15012-97.jpg) при меньшей эффективности генерации испускается в ондуляторах с15012-98.jpg << 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 длиной15012-99.jpg находящиеся друг от друга на расстоянии15012-100.jpg равном или кратном15012-101.jpg Их интенсивность

Iког = N1SIнк

где15012-102.jpg - число частиц в одном сгустке пучка, S15012-103.jpg3 - 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

15012-104.jpg

15012-105.jpg

где М - число сгустков пучка, rп - 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. с15012-106.jpg 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

В + ЕП|2 = |ЕВ|2 + 2|ЕВЕП|- |ЕП|2,

где Ев - напряжённость электрич. поля усиливаемой волны, Еп - напряжённость электрич. поля, создаваемого сгруппировавшимися в сгусток частицами пучка. Вклад индуцир. О. и. пропорционален 2 | ЕВЕП |. О. и. распространяется в той же области пространства и обладает теми же характеристиками, что и усиливаемая волна. Член | Еп |2 соответствует спонтанному когерентному О. и. источника, и при | ЕП |2 >> 2 | ЕВЕП | >> | Ев |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 монохроматичностью15012-107.jpg и длиной когерентности15012-108.jpg 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 уменьшением15012-109.jpg и достигает значений Р ~ 1 кВт (при15012-110.jpg~ 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 значений15012-111.jpg1 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 угла15012-112.jpg 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 волны15012-113.jpg10см [I960, Р. М. Филлипс (Phillips)]. В 1977 Дж. Мейди (Madey) с сотрудниками продемонстрировал работу таких источников в ИК-диапазоне на Станфордском линейном ускорителе электронов.

Литература по ондуляторному излучению

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

Е. Г. Бессонов

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution