В настоящее время все источники излучения, основанные на пучках частиц
- независимо от длины испускаемой волны - называют источниками света
(ИС). К ним, в частности, относятся источники синхротронного
излучения (СИ), спонтанного некогерентного ондуляторного излучения
(ОИ), индуцированного ОИ - обычные лазеры на свободных электронах
(ЛСЭ), спонтанного когерентного ОИ – параметрические ЛСЭ (prebunched
FELs), обратного комптоновского (ОКР) и обратного рэлеевского (ОРР)
рассеяния, экзотические источники основанные на различных видах
излучения в кристаллах и т.д. (см. сайт http://www.lightsources.org).
Одним из основных параметров ускоренных пучков заряженных частиц
является их яркость (плотность пучков в 6-мерном фазовом
пространстве). Она определяет светимость встречных пучков частиц в
накопителях и яркость основанных на этих пучках ИС. Для увеличения
яркости пучков предлагались различные методы их охлаждения (уменьшения
фазового объёма – эмиттанса пучка), основанные на использовании
радиационного трения (Бом и Фолди, 1946 г.), ионизационных потерь
энергии (G.K.О’Нэйл, 1956 г.), электронного охлаждения (Г.Будкер, 1967
г.) и на стохастических процессах (Ван дер Меир, 1972 г.). Большой
интерес к ИС появился в 60-х годах прошлого века. Сначала строились
каналы СИ на синхротронах и накопителях, использовавшихся для ядерной
физики и физики элементарных частиц (в "паразитном" режиме). Затем
стали строить специализированные накопители для ИС, использующие
специализированные магнитные структуры и различные типы ондуляторов. К
настоящему времени пройдено 3 поколения ИС, отличающихся по яркости на
2-3 порядка. Развивается 4-е поколение. Им будет рентгеновские ЛСЭ.
Значительная часть теоретических и экспериментальных работ коллектива
ОФВЭ посвящена развитию ИС новых поколений, теории и техники источников ОИ, новым
типам ондуляторов, ондуляторных группирователей, формирующим
последовательность микробанчей в виде релятивистских многослойных
электронных и ионных зеркал для параметрических ЛСЭ, вопросам
охлаждения пучков частиц в ИС основанных на накопителях, методам
получения поляризованных пучков, новым методам ускорения.
Синхротронное и ондуляторное
излучение, лазеры на свободных электронах
Идея источников спонтанного некогерентного ОИ и параметрических ЛСЭ
была высказана В.Л.Гинзбургом в ФИАН в 1947 г. Сотрудниками ОФВЭ ФИАН
развита теория источников спонтанного некогерентного ондуляторного
излучения, параметрических ЛСЭ, внесен вклад в развитие теории ЛСЭ.
Предложены новые типы ондуляторов для источников ОИ и параметрических
ЛСЭ (формирование эллиптически-поляризованных и более сложных полей,
ондуляторный клистрон для источников самостимулированного ОИ, новые
типы ондуляторных группирователей пучков частиц для источников ОИ и
параметрических ЛСЭ. Проведены пионерские экспериментальные работы по
исследованию свойств спонтанного некогерентного ОИ на синхротроне
"Пахра", по генерированию спонтанного когерентного ОИ в
параметрическом ЛСЭ. Предложены ИС, основанные на охлажденных
релятивистских ионных пучках (источники обратного рэлеевского
излучения) и источники основанные на самостимулированном ОИ), решена
обратная задача о нахождении траектории частицы и внешних полей
(например, ондулятора) по заданным свойствам испускаемого излучения,
показано, что лабораторные источники конечных размеров не могут
испускать однополярные (unipolar) электромагнитные волны
(всегда ∫ E(t) dt = 0).
Предложено в месте расположения ондуляторов в ИС создавать
прямолинейные промежутки с большой бета-функцией (high β-function для
уменьшения влияния углового разброса частиц пучка на монохроматичность
ОИ). Предложены схемы использования длинноволнового излучения
(квазиондуляторного излучения), испускаемого в направлении осей
прямолинейных промежутков накопителей. Проведены первые эксперименты
по генерированию длинноволнового излучения, испускаемого в
направлениях близких к направлению осей их прямолинейных промежутков
(на синхротронах ФИАН "Пахра" и С-60). Предложены методы получения
поляризованных релятивистских e+/e− пучков на протонных синхротронах и
через поляризованные e− пучки.
Экзотика
Предложены схемы гразеров (гравитационных аналогов
лазеров) и детекторов гравитонов оптического диапазона длин волн (~1
эВ), основанные на использовании ускорителей, ондуляторов и лазеров.
Показано, что в трактовке законов сохранения энергии и импульса для
системы из электромагнитных полей и частиц в классической
электродинамике допускается логическая ошибка. Показано, что
лагранжиан Дарвина допускает нефизические решения (решения не
совместимые с законом сохранения энергии).
Источник света на обратном комптоновском рассеянии
В настоящее время в мире существует объективная потребность в новых
источниках рентгеновского излучения, которые должны совмещать в себе
достоинства как лабораторных источников, работающих на рентгеновских
трубках, так и ИС крупных центров СИ и ОИ. От первых они должны
унаследовать компактность и относительно низкую стоимость, а от вторых
высокую интенсивность рентгеновского излучения и широкие возможности в
управлении параметрами пучка. Наиболее эффективный источник такого
типа может быть создан на основе метода ОКР - комплексной установки,
включающей в себя сильноточный ускоритель электронов, компактное
накопительное кольцо или ЛУ с рекуперацией энергии, мощный лазер и
высокодобротный лазерный резонатор. Источник ОКР является одной из
разновидностей источников ОИ, где ондулятором служит лазерная волна.
Первый источник ОКР был создан в ЛВЭ ФИАН в 1962 г. В настоящее время
в сотрудничестве ОФВЭ ФИАН, ОКРФ ФИАН и НИИЯФ МГУ разработаны
несколько вариантов компактных источников ОКР (магнитные структуры,
лазеры, оптические резонаторы).
Е.Г.Бессонов, 9.03.2011