авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

( )

-- [ Страница 1 ] --

..

( )

.04.20 - « »

-2012

НАЦИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ имени А. И. Алиханяна

(Ереванский Физический Институт)

Саакян Ваге Варданович

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНАХ С ВНЕШНЕЙ ФОКУСИРОВКОЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук по специальности 01.04.20 – “Физика пучков

заряженных частиц и ускорительная техника”.

ЕРЕВАН-2012

` .. .

. . ( )

` .. . ,

. . ()

.. . ,

. ( ., )

`

2012. 29- 14.00- .. - « » 024 (0036, , 2):

.. :

2012. 27-:

024

, .. . . .

Тема диссертации утверждена в Ереванском государственном университете.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

В. М. Цаканов (ЕГУ КЕНДЛ НИИ)

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Э. М. Лазиев (ННЛА)

доктор физ.-мат. наук, профессор

Й. Россбах (Унив. Гамбурга, ФРГ)

Ведущая организация: Институт радиофизики и электроники НАН РА

Защита диссертации состоится 29 мая 2012г. в 14.00 часов на заседании специализированого совета ВАК 024 ”Физика ядра и элементарных частиц” действующей при Национальной научной лаборатории им. А.И.Алиханяна (0036, Ереван, ул. братьев Алиханян 2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальной научной лаборатори имени А. И. Алиханяна.

Автореферат разослан 27 апреля 2012г.Ученый секретарь спец. совета 024, доктор физ.- мат. наук Э.Д. Газазян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одним из важнейших направлений современных исследований в области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники является генерация мощного рентгеновского излучения высокой яркости на основе процесса сомоиндуцируемого лазера на свободных электронах (СЛСЭ) на выходном пучке от линейного ускорителя. В дополнение к жестким требованиям на эмиттанс пучка и его энергетический разброс на выходе из линейного ускорителя, процесс микробанчировки электронного пучка в ондуляторной секции ускорителя обусловлен согласованием пространственно-угловых характеристик электронных и фотонных пучков с помощью внешней фокусирующей системы для обеспечения эффективного взаимодействия излучения с электронами пучка. Вопрос о фокусировке электронного пучка особенно важен для рентгеновских СЛСЭ, где длина ондуляторов может достигать нескольких сот метров. Поскольку размер и расходимость электронного пучка определяются параметрами внешней фокусировки, то характеристики излучения СЛСЭ (мошность, яркость и длина насышения излучения) сильно зависят от типа и параметров фокусирующей системы и исследование влияния внешней фокусировки на процесс генерации когерентного излучения является очень важным для достижения оптимальных параметров СЛСЭ.



Более того, для эффективного взаимодействия электронных и фотонных пучков фокусирющие магниты (квадрупольные магниты) должны быть установлены в ондуляторной линии с очень высокой точностью для предотвращения возмущения траектории электронного пучка, приводящего к ухудшению параметров излучения СЛСЭ. Исследование эффектов, связанных с влиянием этих погрешностей для различных фокусирующих систем, является важной проблемой для анализа процесса СЛСЭ в реальных условиях и при конечных допусках на магнитную систему.

Особенностями рентгеновских СЛСЭ являются жесткие требования на параметры электронного пучка на выходе из линейного ускорителя-драйвера: эмиттанс пучка, энергетический разброс и пиковый ток. Поскольку ондуляторная секция СЛСЭ проектируется под идеальные параметры электронного пучка, важным вопросом является исследование зависимости парамеров излучения от параметров электронного пучка, включая возможность генерации СЛСЭ электронными пучками малой плотности для избежания эффектов пространственного заряда пучка.

В реальном ускорителе траектории частиц возмущены из-за конечных допусков на юстировку элементов ускорителя и ошибки магнитного поля. Прецизионная коррекция траектории электронных пучков является особенно важным вопросом для рентгеновских СЛСЭ, поскольку требования к стабильности орбиты электронного пучка лежат в микронной области. Одним из перспективных методов прецизионной коррекции траектории частиц является метод коррекции на основе варирования параметров ускорителя или пучка (энергия пучка, силы квадрупольных магнитов, ускоряющие градиенты и т.д.). При этом конечная разрешимость датчиков положения пучка порождает стохастические ошибки при коррекции орбиты пучка и искажает конечную траекторию пучка после коррекции, что является важной проблемой для достижения проектных параметров СЛСЭ.

Цель работы

Целью диссертационной работы является:

  • Исследование влияния различных фокусирующих структур на процесс и характеристики излучения рентгеновского СЛСЭ.
  • Исследование эффектов возмущенной орбиты электронного пучка на процесс и характеристики излучения рентгеновского СЛСЭ.
  • Исследование влияния параметров электронного пучка (энергия, эмиттанс, энергетический разброс, пиковый ток и заряд сгустка) на мощность и длину насыщения излучения СЛСЭ.
  • Исследование СЛСЭ в режиме малых плотностей электронного пучка.
  • Исследование прецизионной коррекции орбиты электронного пучка с учетом конечной разрешимости датчиков положения пучка.

Диссертационная работа основана на исследованиях, выполненных для проектов Европейского рентгеновского ЛСЭ (European XFEL) и Швейцарского ЛСЭ (SwissFEL).

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Впервые предложена и исследована новая нестандартная фокусирующая система для СЛСЭ.
  2. Получена аналитическая формула для расчета влияния смещений квадрупольных магнитов на параметры излучения СЛСЭ.
  3. Проведен сравнительный анализ параметров СЛСЭ для различных фокусирующих ситем ускорителя с учетом возмущенной орбиты электронного пучка.
  4. Исследован режим генерации СЛСЭ при малых плотностях электронного пучка.
  5. Исследован и предложен новый метод коррекции траектории частиц в линейных ускорителях и в транспортных каналах.

Практическая ценность.

  • Результаты сравнительного анализа различных фокусирующих систем, представленные в данной работе, могут быть использованы при разработке фокусирующих систем для будущих СЛСЭ, а так же для возможных модификаций фокусирующей системы Европейского источника СЛСЭ.
  • Полученные результаты позволяют оценить характеристики излучения в СЛСЭ при различных рабочих режимах ускорителя.
  • Получены результаты могут быть использованы для прецизионной коррекции орбиты электронного пучка в линейных ускорителях.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты исследования генерации СЛСЭ для различных фокусирующих систем в ондуляторной секции ускорителя. Анализ воздействия возмущенной траектории электронного пучка на формирование СЛСЭ и определение допусков на магнитную систему ондуляторной секции.
  2. Новая фокусирующая система с центральным дуплетом в ондуляторной секции, позволяющяя достичь максимальной мощности излучения при минимальных допусках на фокусирующую систему.
  3. Результаты исследования зависимости мощности излучения, длины насышения излучения от параметров электронного пучка, включая генерацию СЛСЭ при малых плотностях электронного пучка.
  4. Исследование дрейфа орбиты электронного пучка после коррекции и новый метод многоступенчатой коррекции орбиты в линейных ускорителях.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

  1. European Particle Accelerator Conference, EPAC’08, Genoa, Italy, 23-27 Junе, 2008.
  2. Particle Accelerator Conference, PAC09, Vancouver, Canada, 4-8 May, 2009.
  3. International Free Electron Laser Conference FEL 2009, Liverpool, UK, 24-28 August, 2009.
  4. International Particle Accelerator Conference, IPAC'10, Kyoto, Japan, 23-28 May, 2010.

Материалы диссертации также обсуждались на семинарах в ЕГУ, CANDLE, Институте Пола Шерера и DESY.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и обьем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий обьем диссертации составляет 114 страниц, в том числе 35 рисунков, 17 таблиц и списка литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сделан обзор по тематике диссертации, сформулированы основные задачи, обоснована их актуальность и научная новизна, а также приведено краткое содержание работы.

В первой главе приведено краткое описание теории СЛСЭ. Так же в этой главе приведены технические характеристики Европейского рентгеновского ЛСЭ и Швейцарского ЛСЭ проектов, для которых полученые результаты составляют основную часть диссертационной работы.

Так как аналитические методы имеют ограниченное применение для исследования свойств СЛСЭ, необходимо использовать алгоритмы численного моделирования. Для моделирование работы СЛСЭ в данной диссертационной работе были использованы две компьютерные программы GENESIS и SIMPLEX. Краткое описание численных алгоритмов, которые используются в этих кодах для решения уравнения движения частиц и уравнении для электромагнитного поля приведены в секции 1.6. Для Европейского рентгеновского ЛСЭ и Швейцарского ЛСЭ проектов были рассчитаны параметры излучения СЛСЭ (мощность при насыщении и длина насыщения). Результаты численной моделированиы представлени в секции 1.9. В этои секции также приведен сравнительный анализ этих пакетов программ.

Во второй части этой главы была получена аналитическая формула для спектральной яркости излучения длинной секции ондулятора с внешней периодической ФОДО фокусировкой, учитывая пространственно-угловое распределение электронного пучка. В общем случае яркость ондулятрного излучения определяется как:

,

где - поток фотонов, и - эффективный размер и расходимость источника фотоного пучка, спектральная ширина полосы пропускания. Показано, что произведение эффективного размера и расходимости источника (фотоного пучка), , определяется как

где -эмиттанс электроного пучка, -набег фазы за ФОДО период, -длина волны излучения и -количество ФОДО периодов. С помощью этой формулы можно определить оптимальные параметры фокусирующей системы ( набег фазы бетаронных колебаний и число ФОДО периодов), обеспечивающие максимальную яркость излучения. В качестве примера на рис. 1 приведена зависимость нормализованной яркости от набега фазы для нескольких фиксированных значений числа ФОДО периодов, а на рис. 2 – зависимость нормализованной яркости от числа ФОДО периодов при разных значениях набега фазы.

Рис. 1. Зависимость нормализованной яркости от набег фазы при N=2, 4, 8, 16, 32. Рис. 2. Зависимость нормализованной яркости от числа ФОДО периодов при =20, 24, 28, 32o.




Полученная формула показывает, что уже для обычной ФОДО структуры яркость излучения зависит от параметров магнитной системы. Поскольку яркость излучения качественно описывает эффективное взаимодействие электронных и фотонных пучков в поперечном фазовом пространстве, процесс СЛСЭ также зависит от параметров внешней фокусирующей ситемы.

Во второй главе диссертационной работы исследован процесс СЛСЭ для различных внешних фокусирующих систем. В частности, различные фокусирующие структуры были рассмотрены для Европейского рентгеновского ЛСЭ.

В диссертационной работе было показано, что для симметричной ФОДО решетки среднеквадричные поперечный размер и угловой разброс электронного пучка определяются как

где - длина периода. Поскольку для СЛСЭ процесс усиления строго зависит от эффективного взаимодействия электронных и фотонных пучков на фазовой плоскости, то параметры излучения зависят от параметров фокусирующей системы и .

В первой часты этой главы исследовано влияние набега фазы на характеристики излучения. Существуют несколько приближенных формул, которые могут быть использованы для расчета оптимального значения набега фазы. Однако, оптимальные параметры фокусирующей системы не могут быть найдены аналитически и для этого необходимо использовать численные методы. Было показано, что когда длина ФОДО периода равна 12.2м (что соответствует проектному значению) для ондуляторной секции SASE1 минимальная длина насыщения получается при =220. Для ондуляторной секции SASE2 оптимальное значение набега фазы, с точки зрения длины насыщения, равно 20 и 50 градусов, когда длина волны излучения равна 0.1 и 0.4 нм соответственно.

Далее приведены результаты исследования СЛСЭ для различных фокусирующих систем ускорителя и проведен сравнительный анализ параметров излучения. В частности были рассмотрены и исследованы режимы работы СЛСЭ для естественной фокусировки, стандартной ФОДО фокусировки и фокусирующей системы содержащей три ондуляторных сегмента за период. Новая фокусирующая система имеет период ФОДО решетки равно 36.6м, что достигается модификацией стандартной фокусировки отключением промежуточных ФД квадрупольных магнитов. Преимущество этой фокусирующей системы по сравнению со стандартной состоит в сокращении числа квадрупольных линз в три раза и, как следствие, в уменьшении возмущенной орбиты электронного пучка при конечных допусках на смещение линз от оси ускорителя.

Хотя, периодическая ФОДО решетка является широко используемым методом внешней фокусировки для СЛСЭ, вопрос генерации СЛСЭ с нестандартной фокусирующей системой был упущен из общего рассмотрения. В диссертационной работе исследован альтернативный вариант фокусирующей системы с сосредоточенной фокусировкой в центре ондуляторной секции – вариант “центральной фокусировки” с минимальным числом квадрупольных линз. В этом случае все квадруполи выключены кроме двух ФОДО ячейек в центре ондуляторной секции. На рис. 3 а) представлены периодические решения для горизонтальной и вертикальной бета функций вдоль SASE1 ондуляторной секции в случае центральной фокусировки.

Известно, что для СЛСЭ, работающего в области рентгеновских длин волн, внешняя фокусировка необходима для оптимального согласования параметров электронного и фотонного пучков. Однако изучение возможности работы СЛСЭ без внешней фокусировки в ондуляторной секции, представляет собой особый интерес, поскольку позволяет избежать возмущения траектории электронного пучка из-за конечных допусков на смещение квадрупольных линз от оси ондулятора. Для исследования процесса ЛСЭ без внешней фокусировки необходимо согласовать начальные пространственно-угловые характеристики электронного пучка с аксептансом ондуляторной секции. Нами расмотрен случай периодического решения для бетатронной функции, которая позволяет иметь минимум горизонтального размера в середине ондуляторной секции. На рис. 3 б) приведены горизонтальная и вертикальная бетатронные функции вдоль одуляторной секции SASE2, которые определяют огибающую пучка вдоль канала. Результаты исследования показывают, что процесс самоусиления спонтанного излучения и генерации СЛСЭ имеет место и при естественной ондуляторной фокусировке, хотя процесс микробанчировки электронного пучка замедляется.

а) б)

Рис. 3. Изменение горизонтальной и вертикальной бета функций вдоль а) SASE1 в случие центральной фокусировки, б) SASE2 в случе естественной фокусировки

Для сравнения различных фокусирующих систем на рис. 4 показано кривая роста мощности излучения СЛСЭ вдоль ондуляторной линии SASE1 для различных вариантов внешной фокусировки.

Рис. 4. Кривая роста мощности излучения СЛСЭ вдоль ондуляторной секции SASE1 для:A) стандартной ФОДО структуры, B) ФОДО структуры с длинным периодом, C) центральной фокусировки, D) естественной ондуляторной фокусировки.


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.