2
Содержание
Аннотация................................................................6
Введение.................................................................9
Глава 1. Типы ондуляторов и технологии их изготовления..................18
1.1. Плоские и спиральные ондуляторы..................................18
1.2. Однородные и профилированные ондуляторы..........................19
1.3. Электромагнитные ондуляторы и ондуляторы на постоянных магнитах 20
1.4. Безжелезные и гибридные ондуляторы...............................22
1.5. Сравнение технологий изготовления ондуляторов....................24
Глава 2. Развитие ондуляторных технологий...............................27
2.1. Плоские ондуляторы на постоянных магнитах с короткими периодами и максимальными полями..............................................27
2.2. Высокие требования на однородность и периодичность полей.........29
2.3. Фокусировка собственными полями ондуляторов......................30
2.3.1. Естественная (вертикальная) фокусировка в ондуляторах........31
2.3.2. Горизонтальная фокусировка в ондуляторах.....................32
2.4. Разработка ондуляторных схем с фокусировкой в обеих плоскостях 35
2.4.1. Схема с С-образной формой полюсов..........................36
2.4.2. Схема с противоположно направленными боковыми магнитами... 38
2.4.3. Схема с одинаково направленными боковыми магнитами.........40
Глава 3. Усовершенствование методов измерения магнитных полей...........44
3.1. Основные способы измерения распределения полей в магнитных
структурах............................................................44
3.1.1. Методы, позволяющие получить подробную картину поля внутри магнитного элемента.................................................45
3.1.1.1. Приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе (ЯМР).45
3.1.1.2. Преобразователи Холла....................................45
3.1.1.3. Измерительные катушки....................................47
3.1.1.5. Вибрирующая проволока.....................................48
3.1.2. Методы, для определения интегральных характеристик магнитных элементов...........................................................49
3.1.2.1. Протяженные интегрирующие катушки и продольные проволоки ...................................................................50
3.1.2.2. Импульсный проволочный метод..............................52
3.2. Усовершенствование используемых методов измерения магнитных полей ....................................................................56
3.2.1. Увеличение точности измерений датчиком Холла.................56
3.2.2. Усовершенствование проволочной установки.....................59
3.2.2.1. Выбор оптимального материала и длины проволоки............59
3.2.2.2. Оригинальный датчик положения нити........................61
3.2.2.3. Выбор параметров импульса тока............................65
3.2.3. Решение проблемы измерения полей в длинных ондуляторах.......67
3.2.4. Фокусирующие свойства ондуляторов и их измерение с помощью проволочного метода.............................................72
3.3. Сравнение использованных методов измерения магнитных полей.......76
3.3.1. Статистические ошибки измерений полей методом датчика Холла.. 77
3.3.2. Статистические ошибки измерений проволочным методом..........80
3.3.3. Анализ точностей метода ДХ и проволочного метода.............82
3.4. Рекомендации.....................................................84
Глава 4. Применение модернизированных методов измерения магнитных полей для настройки ондуляторов...............................................86
4.1. Ондулятор К1АЕ-4 для эксперимента по нагреву плазмы в токамаке...86
4.1.1. Конструкция двухсекционного ступенчато профилированного ондулятора К1АЕ-4...............................................87
4.1.2. Адаптация системы измерений магнитных полей для настройки ондулятора К1АЕ-4 с помощью ДХ..................................90
4.1.3. Настройка магнитных полей и его интегралов в ондуляторе К1АЕ-4 90
4
4.1.4. Основные параметры и запуск установки FOM Fusion FEM с выходом
на режим 730 кВт мм-волн в 10 мкс импульсах...........................95
4.2. Подготовка ондулятора KIAE-1.5-1 для эксперимента по проверке режима SASE...........................................................98
4.2.1. Настройка ондулятора с использованием проволочного метода перед установкой на канал ускорителя....................................98
4.2.2. Основные параметры установки SATURNUS и эксперимент по измерению усиления в режиме SASE.................................101
ГЛАВА 5. Ондулятор KJAE-UCLA 2м и осуществление режима SASE в безрезонаторном ЛСЭ......................................................107
5.1. Введение..........................................................107
5.2. Конструкция ондулятора на постоянных магнитах.....................108
5.2.1. Расчет фокусирующей системы...................................110
5.2.2. Последовательность сборки ондулятора..........................112
5.3. Магнитные свойства ондулятора.....................................114
5.3.1. Измерения датчиком Холла......................................114
5.3.2. Измерения проволочным методом.................................115
5.4. Усиление Зх 10s, полученное на установке безрезонаторного ЛСЭ.....119
5.4.1. Зависимость средней интенсивности излучения от заряда.........121
5.4.2. Флуктуации интенсивности......................................124
5.5. Заключение........................................................125
Глава 6. Создание ондулятора для лазерного ускорителя типа ОЛСЭ..........126
6.1. Введение..........................................................126
6.2. Проект эксперимента “RRC-UCLA” по обращенному ЛСЭ.................127
6.2. Расчет схемы и конструкция ондулятора.............................129
6.1.1. Определение структуры магнитной ячейки........................130
6.1.2. Элементы регулировки магнитного поля..........................134
6.1.3. Принципиальная схема ондулятора для проекта ОЛСЭ..............136
6.1.4. Выбор формы траектории в межсекционной области................138
6.1.5. Исследование предельно допустимых разбросов параметров установки при использовании лазера мощностью 0.4 ТВт................143
6.2. Конструкция спроектированного ондулятора.........................146
6.3. Механическая юстировка ондулятора................................151
6.4. Настройка и измерение магнитных полей............................153
6.5. Магнитные характеристики изготовленного ондулятора...............156
6.5.1. Проверка возможностей регулировки магнитных полей, обеспечиваемых конструкцией ондулятора..........................156
6.5.2. Настройка магнитных полей с использованием датчика Холла 158
6.5.3. Настройка ондулятора по второму интегралу магнитного поля 160
6.5.4. Особенности использованной технологии для окончательной настройки ондулятора с помощью проволочного метода..............165
6.6. Проверка фокусирующих свойств ондулятора.........................168
6.6.1. Измерение поперечных профилей магнитного поля................168
6.6.2. Измерения фокусировки проволочным методом....................170
6.7. Ожидаемое ускорение, обеспечиваемое изготовленным ондулятором.. 172
6.8. Описание ускорительной установки.................................176
6.9. Результаты эксперимента по лазерному ускорению...................179
Заключение..............................................................180
Список литературы.......................................................186
6
Аннотация
* Диссертация посвящена проблемам проектирования, создания и
настройки периодических магнитных систем (ондуляторов), которые используются в установках лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) и обращенных лазеров на свободных электронах (ОЛСЭ). Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
Во введение дается обзор физики ЛСЭ и экспериментальных исследований ЛСЭ. Показаны преимущества излучения ЛСЭ над излучением молекулярных и твердотельных лазеров, а также его зависимость от основных параметров ондулятора. Анализируются тенденции развития ЛСЭ в направлении создания рентгеновских лазеров, которые по своим параметрам на несколько порядков лучше современных источников синхротронного излучения.
^ В первой главе дается обзор типов ондуляторов и технологий их
изготовления. Показано, что наибольший интерес и широкое распространение в последние годы, как с точки зрения максимально достижимой амплитуды магнитных полей, так простоты и компактности конструкции, представляют ондуляторы на постоянных редкоземельных магнитах и, в особенности, плоские гибридные ондуляторы с полюсами из ванадиевого пермендюра.
Во второй главе показаны тенденции развития современных ондуляторных технологий. В частности, увеличение амплитуды магнитного поля в ондуляторах с малой длиной периода, а также разработка ондуляторных схем, обеспечивающих фокусировку электронного пучка. Подробно описаны три новые схемы ондуляторов, которые были разработаны с участием автора с, так называемой, встроенной фокусировкой. Такие ондуляторы, в отличие от стандартных, фокусируют электронный пучок не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.
В начале третьей главы подробно анализируются существующие методы измерения магнитных полей. Затем приводятся полученные автором результаты развития двух методов измерения полей периодических магнитных структур, которые использовались в лаборатории: метода с использованием датчика Холла и проволочного метода. Даны рекомендации по выбору метода измерения магнитных полей в зависимости от поставленной задачи и типа ондулятора, а также по последовательности настройки магнитных ондуляторов.
Четвертая глава основана на работах автора и демонстрирует использование усовершенствованных методов измерения магнитных полей для настройки двух реальных конструкций ондуляторов. Описывается специфика требований проектов к ондуляторам, показаны практические способы решения поставленных задач и приводятся результаты физических экспериментов с их использованием:
• двухсекционного ступенчато профилированного ондулятора гибридного типа, спроектированного для прототипа мазера с перестраиваемой частотой мегаваттной мощности с высоким КПД для нагрева плазмы в токомаках. В этом ондуляторе получены предельно сильные и высокоточные периодические магнитные поля, адекватные проекту, впервые осуществлена компактная фокусировка электронного пучка (без внешних магнитов).
• короткопериодного ондулятора, сконструированного ранее для инфракрасного ЛСЭ, сооруженного на базе ускорителя Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) для проверки возможности создания безрезонаторных ЛСЭ, работающих в режиме самоусиления спонтанного излучения (SASE). Рекордно сильные магнитные поля, высокая
. однородность и эффективная фокусировка ондулятора позволили впервые в мире осуществить режим SASE в инфракрасном диапазоне.
Пятая глава посвящена 2 м безжелезному ондулятору на постоянных магнитах, созданному с участием автора для эксперимента по изучению режима SASE на базе ускорителя Лос-Аламоской национальной лаборатории.
8
Описывается конструкция ондулятора, особенности процесса настройки его магнитных полей, а также результаты проведенного эксперимента, в котором впервые было получено усиление в режиме SASE, близкое к насыщению (3x105), что на 5 порядков превышало результаты других лабораторий на тот момент времени.
В шестой главе рассказывается об уникальном эксперименте по лазерному ускорению типа ОЛСЭ на базе электронного ускорителя и мощного тераваттного СО2 лазера в UCLA. Автор участвовал в разработке, создании и настройке сильно профилированного двухсекционного гибридного ондулятора для этого проекта. Впервые планировалось ускорить электроны до 50 МэВ в ондуляторе длиной 50 см. При этом должен быть обеспечен высокий коэффициент захвата электронов в процесс ускорения (до 30%). Особое внимание уделено выбору профилирования магнитного поля и особенностям конструкции ондулятора. Описывается процесс настройки магнитных полей и юстировки ондулятора на электронном канале ускорителя.
В заключение подведены итоги более чем 10 летнего опыта работы автора по созданию компактных ондуляторов на постоянных магнитах и развитию методик прецизионного измерения полей периодических магнитных структур. Все изготовленные ондуляторы являются оригинальными, отличаются от других по своей конструкции и свойствам. Каждый из них рассчитан под конкретный проект. В целом они характеризуются короткими периодами, экстремально высокими полями, превышающими так называемый предел Хальбаха, наличием встроенной системы фокусировки и высокой точностью настройки.
9
Введение
После создания в 1976 году группой Дж. Мэйди (Стэнфорд, США) первого ЛСЭ [1] в ведущих научных центрах мира начали интенсивно развиваться исследования в этой области. Неплохие обзоры по физике ЛСЭ и экспериментальных исследованиях ЛСЭ даны в [2,3,4]. Между ЛСЭ и обычными лазерами много общего, но вместе с тем ЛСЭ обладают рядом специфических особенностей и определенных преимуществ по сравнению с атомными и молекулярными лазерами.
Рис. 1. Принципиальная схема ЛСЭ с магнитным ондулятором.
Основой любой установки ЛСЭ и ОЛСЭ является релятивистский электронный пучок, проходящий через пространственно-периодическое внешнее поле (см. Рис. 1). Систему, обеспечивающую пространственнопериодическое поле, называют ондулятором или вигглером. Понятие «ондулятор» было введено Гансом Мотцом в 1951 году [5]. Чаще всего используются магнитные ондуляторы, создающие вблизи оси пучка постоянное поперечное пространственно-периодическое магнитное поле (линейно- или
зеркало
электронныи пучок
10
циркулярно-поляризованное). Ондулятор характеризуется следующими основными параметрами: длиной периода А„; числом периодов N;
максимальной величиной или амплитудой магнитного поля Ва. От значения этих величин зависят все важнейшие характеристики излучения лазера.
Спонтанное магнитотормозное излучение электрона в поле ондулятора обычно называют ондуляторным излучением. Одной из основных характеристик ЛСЭ является длина волны, соответствующая максимуму линии спонтанного ондуляторного излучения. Она определяется следующими формулами:
осью электронного пучка, К - фактор ондуляторности, определяемый но формуле:
К = ^Щ = 0.9АЪ1„[™ШТ] (3)
2 яте
Многие авторы называют ондулятором только такие приборы, фактор ондуляторности которых К < 1, а приборы у которых К > 1 - вигглером. Величина К определяет вид спектра излучения:
• при К«1 излучается монохроматичный пик высокой яркости с длинной волны, определяемой уравнением (1) или (2), соответственно;
• при К ~ 1 мощность в основной гармонике достигает максимума и начинают появляться несколько следующих гармоник (3, 5,...);
• при К»1 создается непрерывный спектр, аналогичный спектру синхротронного излучения, вызываемого поворотными магнитами, но с большей интенсивностью.
для плоского ондулятора:
(2)
£
где у -—*— - релятивистский фактор, 0- угол между направлением излучения и
тс
11
Из формул (1)- (2) видно, что, существует сильная зависимость длины волны ондулятороного излучения от энергии электронов и параметров ондулятора. Таким образом, возможно создание установок ЛСЭ, работающих в широком, практически неограниченном, диапазоне длин волн (от миллиметрового до рентгеновского). Кроме того, ЛСЭ, использующие мощные электронные пучки, позволяют получить высокую среднюю мощность когерентного излучения (103 Вт и более), которая превосходит мощность обычных лазеров.
Создаваемые установки ЛСЭ имеют тенденцию к заполнению области спектра частот, где отсутствуют классические лазеры. Это инфракрасный, ультрафиолетовый и рентгеновские диапазоны. По принципу построения и по особенностям основных физических процессов все установки ЛСЭ можно разделить на три группы:
• длинноволновые мазеры на свободных электронах (МСЭ) (длина волны излучения > 0.5 мм);
• ЛСЭ оптического диапазона;
• коротковолновые ЛСЭ (длина волны излучения < 0.4 мкм).
Рассмотрим подробнее особенности установок ЛСЭ в диапазонах длин волн, где отсутствуют обычные лазеры.
Для длинноволновых ЛСЭ обычно используются электронные пучки с большим током и малой энергией. Для повышения интенсивности генерируемого когерентного излучения в длинноволновых МСЭ используются соответствующие резонаторы. В Табл. 1 приведены действующие и проектируемые установки длинноволновых МСЭ [6]. В таблице указаны: название установки/института, длина волны излучения Я, пиковая мощность \Vpib длительность импульса тр, частота повторения /ер, энергия Еь и ток 4 электронного пучка, период Я*, и параметр ондулятора/виглера К, его тип -Плоский или Спиральный, тип установки - Генератор или Усилитель, и тип используемого ускорителя. Длинноволновые МСЭ создаются с целью
12
Табл. 1. Действующие и проектируемые установки длинноволновых ЛСЭ.
Название установки x, мм >Уріи, МВт V МКС Г,с* Гц FVIb. МэВ/А Х^ (см)/ К(тип) Тип ус-ки/уск-ля
(University of California Santa Barbara 2.5 0,015 6 2 6/2 7.14/1.0(11) Г/ЭлсктроСтат
кешл) / проект постоянный 2/2 3/0.73(0 Г/ЭяектроСтат
Ici Aviv University (Израиль) 1070 10* 2000 одиночный 7x10-/0.1 4/0.05(11) Г/Блок пит.
30 іо-* 1000 одиночный 0.01/0.2 2/0.02(П) Г/Модулятор
68 0.0035 5 1 0.07/0.8 4.4/0.12(11) Г/ЭлсктроСтат
University of Liverpool (Англия) 32-37 ЗО 25-37 10* 10* 2x10’5 ПОСТОЯННЫЙ ПОСТОЯННЫЙ ПОСТОЯННЫЙ 0.08/0.01 0.05/0.01 0.12/0.18 1.9/0.03(П) ! .9/0.03(П) 3/0.28(П) БАБЕ/Блок пит. У/Блок пит. Г/Блок пит.
KEK (National Lab. for High Energy 32 ■ 150 0,015 0,07 1.5/450 16/1.5(11) У/Инд. линак
Physics) (Япония) 32 100 0.015 0.07 1.5/450 16/1.5(11) У/Инд. линак
Institute of Space and Astronautical Science (Япония) 26 3,6 0.4 ОДИНОЧНЫЙ 0.43/190 3.3/0.27(С) Г/Имп. Линия
Institute for Laser Technology, Osaka (Япония) 2,7 0,01 5x10"5 2,856 9/50 6/4(П) Г/ВЧ линак
Centre d’Etudcs Scientifique с Techniques d’Aquitaine 8 50 0.03 ОДИНОЧНЫЙ 1.8/400 8/2.24(0 У/Имп. Линия
1Vara/ Research Lab. (США) 8 проект / 6 0.1/10 0.64/0.20 У/Модхяятор
University of Twente (Голландия) 8 2.3 0.1 ОДИНОЧНЫЙ 0.5/750 3/0.53(0 SASF-•rИмп. Лии
Institute of Fluid Physics (Китай) 8 140 0.05 ОДИНОЧНЫЙ 3.4/800 11/3.1(11) У/Инд. Линак
ОИЯИ+ИЯФ (Россия) 9.7 ЗІ 0.2 2 0.8/150 6/0.84(11) Г/Инд. Линак
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (Китай) 3 1 0.02 ОДИНОЧНЫЙ 0.3/400 1/0.14(С) БАБЕ/Имп. Линия
И нет. Прикладной Физики (Россия) 6.7 7 0.025 ОДИНОЧНЫЙ 0.5/120 2.4/0.07(11) Г/ Имп. Линия
ENEA (Италия) 2 0.0015 5.5 40 2.3/0.35 2.5/1.4(П) Г/Микротрон
Г Об проект 5.5 20 5.5/0.25 2.5/1.7(П) Г/Микротрон
[Japan Atomic Energy Research institute 6 10 0.1 ОДИНОЧНЫЙ 1/3000 4.5/1.3(П) У/Инд. Линак
UAERI+KEK (Япония) 2-/5 проект 0.1 одиночный 4/1000 проект (П) У/Инд. Линак
ИЯФЖПФ (Россия) 4 200 1 ОДИНОЧНЫЙ 1/2000 4/0.3(П) Г/Имп. Линия
German Aerospace Research Establishment (Германия) 3 І 1.5x10 і ОДИНОЧНЫЙ 0.5/100 2/0.28(С) БАБЕ/Имп. Линия
Xorean Atomic Energy Research Inst. 12 0.001 10-30 одиночный 0.4/2 3.2/0.39(0 Г/ЭлсктроСтат
TAU+Wcizmann Institute (Израиль) 3 проект 100 одиночный 1.5/0.5 4.4/0.82(П) Г/ЭлсктроСтат
Columbia University (CI1IA) 2 5 0.15 одиночный 0.8/150 1.9/0.25(0 У/Имп. Линия
FOM (Голландия) 1.5 0.73 12 1 1.77/7.2 2/0.67(11) Г/ЭлсетроСтат
UCD+SLA С (США) 38 (наработка 025 120 0.5/1000 3.4/0.5(С) У/Модулятор
Пике University (США) 0.4 разработка 10 60 40/0.2 3/1.401) Г/ПЧяинак
получения излучения высокой (кВт) средней мощности (вплоть до непрерывного режима), монохроматичного при достаточно высокой полной эффективности и компактности установок. Из таблицы видно, что для создания длинноволновых МСЭ, в настоящее время чаще всего используют электростатические ускорители и длинноимпульсные модуляторы, которые создают низкоэнергетичные мощные электронные пучки.
Основным конкурентом МСЭ в миллиметровом и суб-миллиметровом диапазонах являются гиротроны [7]. Излучение этого диапазона применяется в
13
установках, использующих эффект электрон-циклотронного резонанса (в частности, для нагрева плазмы в токомаках), спектроскопии, радарах высокого разрешения для наблюдения за атмосферными и космическими объектами, в промышленности для покрытия металлов, производстве нанокристаллов и пьезокерамики. Являясь мощными источниками миллиметрового излучения, гиротроны и МСЭ занимают каждый свою нишу в области применения. Гиротроны используются там, где необходимы одночастотные источники излучения мегаваттной мощности, работающие в постоянном режиме. А МСЭ позволяют создавать короткие импульсы (от пико до наносекунд) гигаваттной мощности, частоту которых можно легко изменять в достаточно больших пределах. Поэтому МСЭ являются перспективными для использования в установках по нагреву плазмы в токамаках.
Первый проект МСЭ FOM-Fusion-FEM [8] был осуществлен в голландском FOM институте*. В этом проекте 1 МВт непрерывный МСЭ, работал в частотном диапазоне 130 - 260 ГГц и мог перестраиваться в пределах 5% в течение нескольких миллисекунд. Автор участвовал в сборке и настройке двухсекционного ступенчато профилированного гибридного ондулятора KIAE-4 для этого проекта.
Коротковолновые ЛСЭ в свою очередь можно разделить на две подгруппы: ультрафиолетового диапазона, построенные на основе электронных пучков накопительных колец и безрезонаторные (однопроходные) ЛСЭ рентгеновского диапазона, работающие в режиме самоусиления спонтанного излучения (SASE режим).
В ЛСЭ на основе накопительных колец используются высококачественные электронные пучки с малым током, интенсивность их излучения повышается за счет многократного прохождения электронного пучка через ондулятор, который часто в этой конфигурации заменяется двухсекционным оптическим клистроном [9]. В Табл. 2 приведены
* FOM-Instituut voor Plasmafysika «Rijnhuizen», NL-3430 BE Niewcgcin, The Netherlands. (http://www.rij nh.n 1)
действующие и проектирующиеся установки ЛСЭ на основе накопительных колец [10]. Эти установки работают в основном в ультрафиолетовом диапазоне (240 - 350 нм). Это ограничение, главным образом, связано с достаточно высокой минимальной энергией (>100 МэВ) электронных пучков в накопительных кольцах и ограниченной длиной прямолинейных промежутков, необходимых для установки ондуляторов.
В установках на основе накопительных колец имеется естественная синхронизация между ондуляторным и синхротронным излучением, поэтому их часто используют, в так называемых, двухчастотных экспериментах. В качестве примера можно привести эксперимент по изучению возбужденных состояний атомов гелия на установке UVSOR в Японии [11]. В этом эксперименте атом гелия переводился в возбужденное состояние импульсом синхротронного излучения (время жизни этого состояния всего 600 пс), а затем, в течение этого времени жизни, он облучался импульсом когерентного излучения с длиной волны 570 нм.
Для лазеров рентгеновского диапазона трудно создать зеркала оптического резонатора, поэтому в последнее время большое развитие получили однопроходные (безрезонаторные) установки на основе режима самоусиления спонтанного излучения SASE (Self Amplified Spontaneous Emission). В Табл. 3 дан список действующих и проектируемых установок коротковолновых ЛСЭ [12]. В таблице приведены: название
установки/института, длина волны излучения Л, длительность импульса ст:> энергия Еь и ток 1Ь электронного пучка, период Л*, и параметр ондулятора/вигглера К, тип установки - Генератор или Усилитель, и тип используемого ускорителя. Из таблицы видно, что наметилась тенденция к созданию рентгеновских лазеров (длина волны 1.5 А для американского проекта LCLS и 1 А для немецкого проекта TESLA), рассчитанных на работу в режиме SASE. По своим характеристикам рентгеновские ЛСЭ на порядки
15
Табл. 2. Действующие и проектируемые установки ЛСЭ на накопительных кольцах.
Название установки DM <** E, МэВ 1. mA N X»(cm)/ К
VEPP3, Новосибирск (Россия) 690-5SO 460-375 270-240 200 ps 350 20 67 10/1.6
Supcr-ACO, Orsay (Франция) 690-606 345-355 50 ps 20 ps 600 45 30 9 2x10 12/5 13/4.5
UVSOR, Okazaki (Япония) 483 300 270 15 ps 500 10 16 11/29
N'lJI-1 V, Tsukuba (Япония) 595 353 160 ps 240 5 2x42 7.2/2
ОК-4, Duke (США) 194.7 1.6 ps 800 35 2x33 10/0.4
VUV 10-1000 проект 1000 50 4x32 12/3
FELICITAI, Dortmund (Германия) 470 50 ps 450 90 17 25/2
SUBARU. Harlma 200-1000 Проект /500 50 33.65 16.32/8
ELOTTRA (Италия) 200-400 28 ps 1000 150 2x19 10/4.2
Табл. 3. Действующие и проектируемые установки коротковолновых ЛСЭ.
*
Название установки К НМ <7* Еь, МэВ А N К. (см)/ К Тип ус-кн/уск-ля
lapan Atomic Energy Research Institute (Япония) 22 5рв 16.5 100 52 3.3/0.7 Г/ВЧ линак
ELSA, Bruycrcs 20 30 Р5 18 100 30 3/0.8 Г/ВЧ линак
FELI4 (Osaka, Япония) 18-40 10 р$ 33 40 30 8/1.3-1.7 Г/ВЧ линак
FELI3 0.3-0.7 5 рв 155 60 67 4/1.4 Г/ВЧ линак
FELI2 l.SS 10 р5 68 42 78 3.8/1 Г/ВЧ линак
Jfeli i 5.5 ІОрв 33.2 42 58 3.4/1 Г/ВЧ линак
UCLA+ЛКИ РНЦ «КИ» 16 Зр5 13.5 80 40 1.5/1 SAS Е/В Ч линак
RAFEL. LAN L (США) 15.5 15 Р5 17 300 200 2/0.9 І7ВЧ линак
FIREFLY, Stanford (США) 15-65 1-5 ря 15-32 14 25 6/1 Г/ВЧ линак
UCLA+ЛКИ РНЦ «KH»+LANL 12 5 рв 18 170 100 2/0.7 SASE/B4 линак
MIRFEL, Maryland 12-21 5 рї 9-14 100 73 1.4/0.2 Г/ВЧ линак
HEP. Boiling (Китай) 10 4 Р5 ЗО 14 50 3/1 Г/ВЧ линак
IR-FEL, Darmstadt (Германия) 6-8 2 Р^ 25-50 2.7 80 3.2/1 Г/ВЧ линак
HGHG, BNL (США) 5.3 6 рв 40 120 60 3.3/1.44 У/ВЧ линак
ATF 0.5 6 ря 50 100 70 0.88/0.4 Г/ВЧ линак
DUFFEL 0.1 проект 230 /000 256 2.89/1.2 У/ВЧ линак
FEL-SUT, Tokyo (Япония) 5-16 2.5 ря 32 0.2 40 3.2,0.7-25 Г/ВЧ линак
-ELIX, Nicuwegcin (Голландия) 4-200 1 Р5 50 50 38 6.5/1.8 Г/ВЧ линак
Hark III, Duke (США) 3 3 р* 44 20 47 2.3/1 Г/ВЧ линак
SCAFEL, Stanford (США) 3-13 0.5-12 ря 22-45 10 72 3.1/0.8 Г/ВЧ линак
CLIO, Orsay 3-53 0.1-3 ря 21-50 80 38 5/1.4 Г/ВЧ линак
RTM. Новосибирск (Россия) 2-І/ проект 98 /00 4x36 9/1.6 Г/ВЧ линак
FELI, Vanderbilt 2.0-9.8 0.7 рб 43 50 52 2.3/1 Г/ВЧ линак
FEL.TJNAF 1-6 0.4 р$ 48 60 41 2.7/0.9 Г/ВЧ линак
UVFEL 0.16-1 проект 160 270 72 3.3//.3 Г/ВЧ линак
APSFEL, ANL 0.385 0.65 рв 354 184 64S 3.3/2.2 SASE/ВЧ линах
0.12 проект 440 150 864 3.3/3.1 SASE/ВЧ линак
PEL. Rocketdyne/Hawiii (США) 0.3-3 проект 100 500 84 2.4/1.2 Г/ВЧ линак
ITFl, DESY (Германия) 0.109 0.5 рв 233 300 492 2.73/1.17 SASE/ВЧ линак
ITF2 0.006 проект 1000 2500 98/ 2.73/0.9 SASE/ВЧ линак
TESLA 0 0001 проект 35000 5000 1200 5/4.2 SA SFJB4 линак
COSA. Frascati 0.08 проект 215 200 400 1.4// Г/ВЧ личак
t.CLS. SUC (США) 0.00015 проект 14350 3400 3328 3/3.7 SASE/ВЧ линак
лучше современных источников синхротронного излучения (СИ): ЛСЭ позволяет получить сверхкороткие импульсы излучения - до 200 фемтосекунд (имеются возможности получения аттосекундных импульсов), в то время как
15-30 пс импульсы характерны для источников СИ; пиковая яркость ЛСЭ
33 2 2
(10 фотонов/сек/мм /мрад/0.1% полосы частот) на 10 порядков превосходит
яркость источников СИ, а их пиковая мощность (10ю Вт) больше на 7 порядков.
Когерентное излучение такой беспрецедентной светимости, огромной
импульсной мощности с экстремально короткими импульсами позволит
провести принципиально новые физические эксперименты [13]:
взаимодействие мощного рентгеновского пучка с атомами, молекулами и
кластерами; ультрабыстрая лазерная спектроскопия позволит проследить
перемещение атомов в ходе химических реакций, что позволит сделать
открытия в области химии и биологии; «сделать видимыми» движение атомов и
таких объектов, как молекулы и кластеры; исследовать теплые и горячие
состояния материи, которые существуют только в астрофизических объектах,
что позволит лучше понять реакцию термоядерного синтеза; для решения
биологических проблем позволит увидеть структуру вируса или молекулы
протеина, до того как они будут разрушены радиацией; откроет новые
возможности в области микроскопии и голографии; принципиально новая
лазерная литография с длинной волны до 1.2 нм (вместо 13.5 нм используемых
в настоящее время) позволит создать сверхминиатюрные интегральные схемы.
Поэтому сейчас и в Америке, и в Европе, и в Японии разрабатываются
грандиозные проекты по созданию рентгеновских лазеров. Для того чтобы
понять масштабность таких проектов, приведем несколько цифр по немецкому
проекту TESLA X-FEL. В качестве ускорителя для этого рентгеновского ЛСЭ
будет использоваться 3 км линейный ускоритель на энергию 13-35 ГэВ, длина
g
ондулятора составит 312 м, оценочная стоимость проекта превосходит 7x10 евро, запуск установки планируется на 2010 - 2011 год. Ондулятор [14,15] содержит 4400 периодов длиной 6 см. Он разбит на 53 секции длиной 5 м
каждая. Вес постоянных магнитов составляет 13.3 тонны, а полный вес ондулятора составит 1900 тонн!
Автор в составе Лаборатории Когерентных Излучений совместно с Университетом Калифорнии в Лос-Анджелесе участвовал в двух пионерских проектах по исследованию возможности осуществления режима ЗАБЕ, на котором основаны проекты рентгеновских ЛСЭ. Эти эксперименты, а также конструкции использовавшихся в них ондуляторов, будут описаны ниже.
- Київ+380960830922