Введение Поле гауссова лазерного излучения Гауссово монохроматическое излучение описывается Механизм циклотронного авторезонанса, открытый в квазиоптическом приближении параболическим уравв 1962 г. Коломенским, Лебедевым и Давыдовским [1,2], нением, которое в случае аксиально-симметричных пучлежит в основе одного из перспективных вакуумных ков, распространяющихся вдоль оси z, имеет общее методов ускорения заряженных частиц [3Ц8]. Интерес к решение в виде линейной суперпозиции мод [9] авторезонансному методу ускорения значительно возрос после создания мощных источников лазерного излуче Am(0) ния. Расчеты показали, что темп ускорения в авторезоA(r, z ) =exp{- } Lm[ ]. (1) (1 + iD)m+1 нансном лазерном ускорителе может быть сравнимым с m=0 темпом ускорения, достигаемым в плазменных методах ускорения (порядка несколько GeV/m) [6-8]. При этом Здесь введены обозначения r2/a2(1 + iD), r = авторезонансный ускоритель при определенных услови= x2 + y2 Ч расстояние от оси пучка (оси z ), a Ч ях является источником фемтосекундного планарного сужение пучка, D = 2z /ka2 z /z Ч безразмерная диR электронного пучка [7].
фракционная длина, k = 2/ = /c Чволновое число, При теоретическом рассмотрении авторезонансного Ч частота волны, c Ч скорость света в вакууме, механизма ускорения обычно используется аппрокси- z = ka2/2 Ч рэлеевская длина, Lm( ) Ч полиномы R мация ускоряющего лазерного излучения в виде гаус- ЧебышеваЦЛягерра порядка m. Число m не может быть сова пучка низшей моды, при этом не всегда обра- слишком большим, чтобы не выходить за границы прищают внимание на то, что в свободном пространстве менимости параболического уравнения. Для рассмотэлектрическое поле излучения должно удовлетворять рения движения заряженных частиц необходимо знать уравнению div E = 0. В общем лазерное излучение в отдельные компоненты поля ускоряющего излучения.
квазиоптическом приближении представляет собой су- Будем считать, что выражением (1) задается векторный перпозицию гаусс-эрмитовых пучков разных мод [9].
потенциал электромагнитного поля, при этом скалярный Анализ авторезонансного ускорения электронов лазер- потенциал определяется из условия калибровки Лоренца ным гауссовым излучением первой моды показал, что при определенных условиях темп ускорения пучком = div A.
ik первой моды может быть выше, чем в случае пучка низшей моды [10]. Это означает, что выбор ускоряюКомпоненты электрического и магнитного полей гаусщего лазерного излучения низшей моды не является сова пучка находятся с помощью известных формул оптимальным. В связи с этим в настоящей работе рассматривается механизм авторезонансного ускорения 1 A B = rot A, E = - -. (2) электронов комбинированным лазерным излучением, соc t ставленным из пучков низшей и первой мод. Показано, что на интервале ускорения движение электронов с до- Из формулы (1) следует, что вблизи оси симметстаточной точностью является авторезонансным, причем рии гауссова пучка (| | 1) наибольшими амплитуэффективность ускорения комбинированным лазерным дами обладают низшие моды, поскольку |Am+1(0)| излучением может быть выше, чем в случае отдельного |Am(0)|/(m + 1).
азерного пучка низшей моды или пучка первой моды. Рассмотрим лазерное излучение, представляемое в виПри этом интервал авторезонансного ускорения заметно де суперпозиции двух гауссовых пучков: один из них Ч уменьшается. пучок низшей моды, а другой Ч пучок первой моды.
96 В.П. Милантьев, С.П. Степина 2BТакой комбинированный пучок описывается выражением By = E exp{i } 1 - exp{i( - )} 2 k2a2(1 + D2) A0(0) A1(0) A1 BA(r, z, t) = + (1 - ) + exp{i( - + )} 1 + iD (1 + iD)2 2 A0 1 + D exp{- } exp{i(kz - t)}. (3) A1 B+ exp{i( - + )} 10 A0 k2a2(1 + D2) Будем считать для простоты, что вектор-потенциал 2Rимеет только компоненту Ax. Представим также началь- exp{i( - + )} + к.с., 11 ные комплексные значения вектор-потенциала в виде k2a2 (1 + D2)2EY Bz = exp{i } exp{i( - )} 7 A0,1(0) =A0,1 exp{i0,1}, ka 1 + DA1 Bгде A0,1, 0,1 Ч действительные амплитуды и фазы + exp{i( - + )} + к.с. (4) 6 соответственно. A0 (1 + D2) Тогда с помощью формул (2) получаем общие выраже- В формулах (4) введены следующие обозначения:
ния для компонент электрического и магнитного полей, kA0 Rкоторые имеют двольно сложный вид E = exp 1 + D2 1 + DA1 BЧ ДамплитудаУ гауссова пучка; = + + 0 Ч 0 Ex = E exp{i } 1 + exp{i( - + )} 2 A0 1 + D2 фаза гауссова пучка, где = kz - t + R2/(1 + D2);
1 (1 - D4) - R2(1 - 3D2) 4X = arctg ; = arctg ;
1 + exp{i( - )} 3 D 2D(1 + D2) - R2D(3 - D2) k2a2(1 + D2) 1 - 3D2 1 - D = arctg ; = arctg ;
3 - exp{i( - )} 4 D(3 - D2) 2D k2a2(1 + D2) 3(D4-6D2+1)(1+D2)-R2(5D4-10D2+1) = arctg ;
A1 4X2B3 12D(1 - D4) - R2D(D4 - 10D2 + 5) + exp{i( - + )} 5 A0 k2a2(1 + D2) 2R2D(2 - D2) - 2D(3 - D2)(1 + D2) = arctg ;
A1 2B2(1 - 3D2) - R2(D4 - 6D2 + 1) - exp{i( - + )} + к.с., 6 A0 k2a2 (1 + D2)2D = arctg ;
D2 - 4D(D4 - 1) +DR2(D4 - 10D2 + 5) 4EXY = arctg ;
Ey = exp{i } exp{i( - )} 3 (D4-6D2+1)(1+D2)-R2(5D4-10D2 + 1) k2a2(1 + D2) 2D(3D4 - 10D2 + 3) A1 B3 = arctg ;
+ exp{i( - + )} + к.с., D6 - 15D4 + 15D2 - 5 A0 (1 + D2) (3D2 - 1)(1 + D2) +2R2(D4 - 6D2 + 1) = ;
D(D2 - 3)(1 + D2) +8R2D(1 - D2) 2EX Ez = exp{i } exp{i( - )} 5D4 - 10D2 + 7 = arctg ;
ka 1 + DD(D4 - 10D2 + 5) A1 2B+ exp{i( - + )} 6 1 B1 = (R - 1)2 + D2; B2 = (R - 2)2 + 4D2;
A0 (1 + D2) B3 = (R - 3)2 + 9D2;
2B+ exp{i( - )} 6 k2a2(1 + D2) B4 = (2R - 1)2 + D2;
A1 R = 1 - 0 Ч сдвиг фаз; R = r/a; X = x/a; Y = y/a.
- exp{i( - + )} 9 A0 k2a2(1 + D2)В приближении квазиоптики параметр 1/ka является малым. Поэтому в формулах (4) не все члены имеют 12A1 B- exp{i( - +)} +к.с., 8 1 одинаковый порядок. Видно, что в основном рассматA0 k2a2 (1+D2)риваемое излучение представляет собой электромагнитную волну с линейной поляризацией, которая несколько Bx = 0, ДпортитсяУ малыми добавками.
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Повышение эффективности авторезонансного ускорения электронов в поле... P d c Уравнения движения электронов в поле = - - 1 - sin res d P комбинированного гауссова излучения P A1 BРассмотрим релятивистское движение электрона в - - 1 sin( + + ) res A0 P 1 + Dполе лазерного излучения (4), распространяющегося вдоль однородного магнитного поля B0 =(0, 0, B0). Для 2 1+ D2 2B1 - sin( + 3 )+ sin( + ) выделения циклотронного вращения электрона введем res 1 res P P стандартную замену 2R2P + sin( + 9 + ) res p = p ez + p ex cos + ey sin. (5) c c P 1 + DP B4 AЗдесь p, p Ч величины продольной и поперечной - sin( + + ) составляющих импульса по отношению к направлению A0 P res магнитного поля, Ч фаза циклотронного вращения c 4X (гирофаза). Уравнения движения электрона в указанном + X sin( + 5 ) - Y cos( + 5 ) res 1 res P поле имеют довольно сложный вид. Они содержат в себе гирофазу, фазу волны и их комбинации. Такая система A1 2B2 1 A1 4XB3 - sin( + + )+ уравнений называется двухпериодной (или двухчастотA0 P 1 + D2 res 41 A0 P(1 + D2) ной). В случае достаточно сильного магнитного поля гирофаза рассматривается как быстрая переменная.
c X sin( + + ) - Y cos( + + ), res 31 res Независимой быстрой переменной считается также фаза P P d 0 2D волны. Тогда система уравнений движения может = - 1 + +, d 1 + Dбыть упрощена с помощью усреднения по быстрым 2P d фазам [3]. При этом уравнение для фазы волны, которую = -, ДвидитУ частица, должно входить в состав общих уравне- d ний движения частиц. При циклотронном резонансе раз2P d 2D 2 = - 3R2 - R(D2 - 5) +2(D2 + 1), ность между циклотронной частотой и частотой волны d B2 B1 (с доплеровским сдвигом) очень мала (равна нулю при 2P d 6D 3 точном резонансе). Разность между соответствующими = - 5R2-3R(D2-9)+36(D2+1), d B2 Bбыстрыми фазами становится в этом случае Дмедлен3 нойУ или ДполубыстройУ переменной. Для электронов 8P d 4D 4 = - R2 - R(D2 + 2) +3(D2 + 1), такой медленной переменной является резонансная комd B2 B2 бинация фаз = + +. Поскольку в квазиопres 0 c 2P d 4D 5 тическом приближении члены порядка 1/ka являются = - 16R2 - 2R(D2+1) +3(D2+1), d B2 Bмалыми, то в уравнениях движения для динамических 4 переменных p, p такие члены можно отбросить. Од2P dR dD = 2, =, нако в уравнении для резонансной фазы подобные малые d d k2aчлены являются существенными, поскольку разность dX P dY P между частотой волны и гирочастотой при резонансе = cos, = sin. (6) c c d ka d ka становится малой. При таких предположениях после усреднения по быстрым фазам (фазе волны и гирофа- В системе уравнений (6) введены следующие безраззе) и их нерезонансным комбинациям можно получить мерные величины и параметры: компоненты импульса упрощенную систему уравнений движения электрона в P = p /m0c, P = p/m0c, где m0 Ч масса электрона;
рассматриваемом комбинированном гауссовом пучке безразмерное время = t; параметр RdP P A1 PB = exp - 1 + D2, =- cos - cos( + +), res 1 + Dd A0 1 + D2 res где = ekA0/m0c Ч безразмерная амплитуда волны, = 1 + P2 + P2 Ч релятивистский фактор; паP dP = - 1 cos res раметр = c0/, где c0 = eB0/m0c Ч классичеd ская циклотронная частота. Введены также обозначения A1 B1 = 1/k2a2(1 + D2), - 1 - cos( + + ), A0 1 + D2 1 + D2 res P = X cos + Y sin, 2 c c ka d P A1 PB=- cos - cos( + +), res = -.
d A0 1 + D2 res 21 i j i j 7 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 98 В.П. Милантьев, С.П. Степина Фаза волны рассматривается как независимая пере- расстоянии оказывается практически малым, так что на менная наряду с гирофазой [3,8,10]. Поэтому система (6) этом расстоянии движение частицы может рассматрисодержит в себе также уравнение для фазы волны, ваться как приближенно авторезонансное (рис. 1).
где величина = 2R2(1 - D2)/k2a2(1 + D2)2 определяет средний сдвиг частоты гауссова излучения.
Численное решение Из системы (6), как и в случае плоской волны, следует интеграл [3] Система (6) слишком сложна, поэтому она решалась - P = const G.
численно. Численное решение проводилось по метоЕсли постоянная G =, то соотношение ду РунгеЦКутта в случае CO2 лазера с интенсивностью I = 1.8 1015 W/cm2, длиной волны = 10.6 m - P = (7) при условии циклотронного резонанса (8) в момент инжекции. Ширина гауссова пучка считалась равной представляет собой условие циклотронного резонанса a = 0.16 cm. При данных параметрах гауссова пучка электрона с волной, которое в случае вакуумной плосрэлеевская длина равна z = 75.8 cm. Величина магнитR кой волны сохраняется во все время движения частицы.
ного поля B0 = 100 kGs. Следует отметить, что в расЭто и есть авторезонанс [3]. Резонансной комбинации сматриваемом случае лазерного излучения параметр частот (7) соответствует комбинация фаз +. Су0 c является очень малым. Это значит, что при выполнении ществование соотношения (7) в системе (6) связано с условия циклотронного резонанса (8) в начальный мотем, что были отброшены указанные малые члены. Учет мент времени безразмерный продольный импульс ускосдвига частоты гауссова илучения приводит к тому, что ряемой частицы мало отличается от релятивистского условием циклотронного резонанса частицы с волной, фактора P 0 0. Другими словами, ускоряемые частисогласно уравнениям (6), является не соотношение (7), цы должны быть ультрарелятивистскими. В связи с этим а соотношение в расчетах энергия инжекции электронов принималась равной E = 25.9MeV (0 = 50.8).
- P ( + 1) =. (8) Предполагается, что в момент инжекции электронов В отличие от случая плоской волны (сужение a ) точно выполняется условие циклотронного резонанусловие циклотронного резонанса (8) не является инте- са (8), при этом рассматриваются частицы, стартующие гралом движения (6). Это значит, что в гауссовом пучке на оси симметрии гауссова пучка (x = y = 0) при z = 0.
условие циклотронного резонанса частицы с волной в Решение системы (6) существенно зависит от соотношеобщем не сохраняется при движении частицы, так что ний между амплитудами пучков низшей моды и первой авторезонансный режим невозможен. Однако, как пока- моды, а также от начальных фаз. В качестве примера зывает численное решение системы (6), сбой резонанса на рис. 2 показана зависимость энергии частиц от в комбинированном гауссовом пучке на небольшом расстояния в направлении распространения гауссова излучения при разных соотношениях между амплитудами первой и нулевой мод и разных фазовых соотношениях.
Видно, что существует область параметров, в которой электроны набирают значительную энергию на достаточно малом расстоянии Ч порядка половины рэлеевской длины. При этом наблюдается тенденция к насыщению.
В этом состоит существенное отличие механизма авторезонансного ускорения комбинированным излучением от ускорения излучением низшей моды [8] или гауссовым пучком первой моды [10]. Резкое уменьшение интервала ускорения в случае комбинированного гауссова излучения связано с тем, что сбой резонанса происходит раньше, чем в случаях излучения низшей или первой мод. Это демонстрирует рис. 1, а также рис. 3, на котором показана эволюция траектории электрона в поперечной плоскости с момента его инжекции (при x = y = z = 0) до прохождения расстояния z 55 cm.
Видно, что движение носит сложный характер и по мере ускорения частица довольно быстро смещается в поперечном направлении.
Анализ результатов, представленных на рис. 2 и поРис. 1. Изменение сдвига резонансной частоты в направледобных им, показывает, что энергия частиц, взаимодейнии распространения комбинированного излучения. Сплошная линия соответствует условию (8), пунктир Ч условию (7). ствующих с комбинированным гауссовым излучением Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Повышение эффективности авторезонансного ускорения электронов в поле... и инжектируемых при точном условии циклотронного резонанса, изменяется сложным, хаотическим образом.
Большая часть инжектированных частиц при самых разнообразных фазовых соотношениях до сбоя резонанса приобретает значительную энергию, небольшая их часть с неблагоприятными фазами выпадает из режима ускорения. Набор энергии частицами оказывается наибольшим, когда излучение первой моды лишь немного ДпортитУ Рис. 4. Эффективность авторезонансного ускорения электронов гауссовым лазерным излучением: 1 Ч ускорение в поле гауссова пучка низшей моды, 2 Ч гауссова пучка первой моды, 3 Ч комбинированного гауссова пучка.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам