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, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм представляет собой инструмент идеологического подчинения одних людей другим с помощью абсолютно бессовестной манипуляции их психикой для достижения интересов определенных групп людей, стоящих у руля этой воровской машины? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution