САМОУСИЛЕННОЕ СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ОДНОПРОХОДНОМ РЕЖИМЕ SASE ЛАЗЕРА НА СВООДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ Блажевич С.В.,Носков А.В.,Лигидов А.З.

Белгородский государственный национальный исследовательский университет


Номер: 10-4
Год: 2015
Страницы: 6-15
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

лазер на свободных электронах, генерация гармоник высокого порядка, электронный пучок , free electron laser, high-order harmonic generation, electron beam

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В этой статье показаны экспериментальные результаты, полученные при генерации электронного пучка в однопроходном режиме самоусиленного спонтанного излучения SASE лазера на свободных электронах. Приведены результаты моделирования, сделанные различными кодами, а так же сравнения экспериментальных данных с моделированием.

Текст научной статьи

Последние достижения в развитии технологий ускорительной техники привели научное сообщество к использованию широкого спектра диапазона излучения лазера в вакуумном ультрафиолете и рентгеновской областях с помощью ЛСЭ в режиме SASE [1, 054801; 2, 234801; 3, 1782]. Лазерный импульс, используемый, в эксперименте SASE ЛСЭ получен с продольной плоской вершиной и длительностью 6-8 пс при номинальном заряде электронного пучка на катоде равном 1 нКл. Заряд в импульсе электронного пучка, полученная на катоде, ~ 400 пКл. Получение более высокого заряда на катоде инжектора при максимально достижимом градиенте поля ~105 МВ/м сопровождалось увеличением излучения электронного пучка без увеличения пикового тока. На рис. 1 показано продольное фазовое пространство электронного пучка на катоде инжектора установки SPARC [4, 396; - 15, 146]. Рис. 1: Фазовое пространство электронного пучка На рис. 2 представлено распределение тока электронного пучка в пределах сгустка. Максимальный ток составляет около 53 A, а длина среднеквадратического отклонения сгустка составляет . На рис. 3 приведена зависимость энергии пучка (синяя линия) от некогерентного распространения энергии (красная линия) как функция положения вдоль сгустка. Основные параметры электронного пучка, полученные в ходе эксперимента, приведены в табл. 1. Поперечные размеры эмиттанса электронного пучка измеряются с помощью квадрупольного сканирования в конце линейного ускорителя и составляют в вертикальной плоскости 2,9 мм-мрад, а в горизонтальной плоскости 2,5 мм-мрад. Рис. 2: Ток пучка в зависимости от времени вдоль микросгустка. Столбики обозначают ошибки стандартного отклонения ± 1 Рис. 3:Показано отношение энергия пучка (А) и (B) как функцию времени вдоль сгустка. Полоса ошибок представляет стандартное отклонение ±1 на локальном участке. Полоса ошибок энергии рассчитывается как ±3 стандартных отклонения от энергии (0.1%), измеренной в определенном продольном положении. Этот параметр имеет отношение к инструментальной точности измерения одного выстрела и не отражает флуктуацию энергии от импульса к импульсу и дрейфует, как указано в (табл. 1) Показатель энергетического разброса на участке распространения электронного микросгустка рассчитывается как стандартное отклонение энергетического разброса, усредненное по длине сгустка в одном измерении заряда. Таблица 1 Энергия пучка (МэВ) 152,08-149,8 Относительный энергетический разброс (rms) 9,0 × 10-4 ± 0,8 × 10-4 Относительный энергетический разброс (срез, rms) 2,0 × 10-4 ± 0,8 × 10-4 Длительность сгустка (пс, rms) 2,60±0,05 Заряд электрона на катоде (пКл) 400±20 Ток пучка (А) 53±4 Частота повторения импульсов (Гц) 10 Вертикальный эмиттанс (мм-мрад) 2,9±0,3 Горизонтальный эмиттанс (мм-мрад) 2,5±0,3 В основном диагностика электронного пучка используется для измерения выходного излучения в вакуумном спектрометре [2, 234801; 16, 45], работающем в спектральном диапазоне от 35-370 нм. Этот прибор размером в 1 м работает на частоте спектрометра с ультрафиолетовой CCD камерой Принстона, что позволяет обнаружить спектры одиночного заряда в интегральном режиме. Спектральное изображение дает реконструкцию полной энергии импульса вместе со спектральными параметрами, такими как резонансная длина волны, ширина линии излучения, а в вертикальном направлении от размера пятна и положение электронного пучка излучения в любой момент времени. Схема настоящей установки показано на рис. 4. Рис. 4: Схема спектрометра стоящего в конце ондуляторной системы После выхода электронного пучка из последнего модуля ондулятора металлическое зеркало отклоняет лазерный луч в сторону спектрометра. Эффективность спектрометра дается произведением эффективности решетки и эффективностью ПЗС камеры (рис. 5). Глобальная калибровка является результатом сложения калибровочных кривых из всех элементов, пересекающих свет при данной длине волны: последнее зеркало, фильтры, решетки, ПЗС. Рис. 5: Энергетическая калибровка, включающая вклад ПЗС, отражательную способность различных решеток. Решетка с платиновым покрытием охватывает диапазон коротких длин волн (черный непрерывный) и две решетки с алюминиевым покрытием, (синий пунктир) и (красный пунктир) охватывают средние и длинные диапазоны длин волн, соответственно Процедура калибровки была проверена на длине волны 500 нм при сравнении энергии восстановленных из SASE спектров с непосредственным измерением высокой энергии по калиброванному пироэлектрическому детектору (рис. 6). Набор данных был получен при помощи изменения числа секций ондулятора, участвующих в усилении излучении электронного пучка. Рис. 6: Сравнение энергии, измеренной с пироэлектрического детектора (синий) и изображение интегральных спектров с соответствующим коэффициентом калибровки (красный). Столбики ошибок (красный) соответствуют одному стандартному отклонению более 100 зарядов. В скобках числа для каждого набора данных в ондуляторной секции установленной на резонансном уровне Когда пучок с параметрами, представленными в табл. 1, вводился, в ондулятор установки SPARC достигалось насыщение ЛСЭ на резонансной длине волны Общая фокусировка ондулятора была определена путем введения электронного пучка с поперечными параметрами Твисса для фокусировки и дефокусировки решетки (FODO) в двух направлениях состоящих из модулей ондулятора и дрейфа между двумя соседними ондуляторами за счет квадрупольного выравнивания коэффициента Твисса (рис. 7). При этом условии имеем , а среднеквадратичный радиус электронного пучка, усредненный по длине секции ондулятора, составляет около 120 мкм. Рис. 7: Изменения коэффициентов Твисса (непрерывный красный) и (пунктирная синяя) в периодической решетке FODO длине состоящая из одной секции ондулятора длиной и квадруполя (Q) расположенного на участке между двумя соседними модулями Энергия излучения импульса, изменяющаяся в зависимости от положения в последовательности ондулятора, было получено путем выключения взаимодействия ЛСЭ постепенным увеличения зазора секций. Импульсы энергии, измеренные на основной и третьей гармониках волны, показаны на рис. 8. Последовательность, представленная черными кружками в каждой точке, соответствует 20 событиям. Погрешности соответствуют ±2 стандартным отклонениям от колебания импульса к импульсу. Рис. 8: Распространение энергии импульса вдоль движения пучка в ондуляторе На данном рисунке черные символы представляют собой измеренные данные. Каждая точка набора данных (A) была получена в среднем за 20 событий после первого модуля ондулятора до оптимизации. Множество (В) получено в среднем за 50 событий после оптимизации фазы лазерного импульса в инжекторе. Третья гармоника (3h) была получена во всем ондуляторе в зазорах на резонансной частоте. Столбики ошибок представляют ±2 стандартных отклонений от колебания импульса к импульсу. Столбики ошибок отсутствуют после первой секции, где спектр является результатом двух интегрирований по 100 импульсам. Цвет линии представляет отдельную программу моделирования, где PERSEO (красный), GENESIS 1.3 (коричневый), MEDUSA (синий), и GINGER (зеленый). Данные по моделированию третьей гармоники представлены штрихпунктирной линией. После настройки всех секций ондулятора до номинальных значений оптимизировали выходную энергию излучения электронного пучка за счет изменения относительной фазы на катоде между лазерным импульсом и полем ускорения, что привело к повышению эффективности излучения приблизительно на 1 порядок. Получили общий коэффициент усиления излучения электронного пучка, близкий по оценкам к 107. Эффективный коэффициент Пирса [7, 066501], полученный согласно соотношению , где , может быть оценен по сравнению с однородными одномерными коэффициентами Пирса из параметров установки SPARC, имеет значение, равное . Согласно результату численного моделирования насыщение ожидается при энергии импульса равной 0,1 мДж. Излучение электронного пучка после оптимизации резонансной длины волны в ондуляторе приведены на рис. 9, где показана статистическая энергия излучения, относительная ширина спектральной линии, резонансная длина волны, и среднеквадратичный размер пятна. Рис. 9: Гистограмма энергии импульса излучения, длины волны, ширины линии, и размер пятна на щели спектрометра при наборе 50 событий, соответствующих самым высоким энергиям, измеренным, во множестве (В) на рис. 8 Энергия лазерного импульса на основной и третьей гармониках при была предсказана четырьмя программами моделирования: PERSEO [17, 147], GENESIS 1.3 [18, 3994], MEDUSA [19, 91; 20, 110701], GINGER [21, 275]. Все расчеты были выполнены в предположении, что пучок находится в продольном фазовом пространстве и соответствует данным, представленным на рис. 4 и рис. 5 с поперечным эмиттансом, измеренным при квадрупольном сканировании (2.05/2.09 мм-мрад) со среднеквадратичным радиусом пучка . Программа PERSEO зависит от времени, включая трехмерные эффекты, выполненные в нем, что не позволяет согласовать параметры пучка с параметрами ондулятора ЛСЭ. В случаях моделирования другими программами электронный пучок согласован с ондулятором при . GENESIS 1.3 и GINGER интегрируют уравнения движения трехмерной частицы усредненной по периоду ондулятора, в то время как MEDUSA интегрирует на основе не усреднённых уравнений. Все коды используют аппроксимацию медленно меняющейся огибающей к уравнениям Максвелла. Несмотря на различие, все коды предсказывают одинаковую длину усиления излучения. Окончательная энергия, близкая к экспериментальному значению, измерена в оптимизированном случае. Причину расхождения результатов после первой секции ондулятора можно объяснить учетом различий между моделирующими программами в поперечном поле. GENESIS 1.3 использует декартовую сетку (x, y), в которой заряд отображается на ближайших соседних точках сетки. В GINGER использует осесимметричную сетку, в которой отображается заряд до ближайшей клетки радиальной сетки на пропорциональной основе, а MEDUSA использует для поля модальное разложение, а не привязывает поле к сеточному представлению. Наконец, PERSEO имитирует одну поперечную моду. Как отмечалось в предыдущем сравнении, GINGER и GENESIS 1.3 [22, 070701] используют декартовую сетку, в которой имеется большее число мод высокого порядка, то же самое верно и для других кодов моделирования. Моды высокого порядка подавляются усилением на более низких режимах, где постепенно уменьшаются компоненты излучения, как взаимодействие, полученное в экспоненциальном режиме и ведущее к насыщению. Аналогичными аргументами можно описать различия на третьей гармонике, где моделирование, сделанное, с помощью кодов GENESIS 1.3 и GINGER показывают более высокий начальный дробовой шум. Из этого следует, что присутствие определенного алгоритма дробового шума может использоваться для описания различий между кодами моделирования [23, 034801; 24, 123114]. Аналитические оценки, основанные, на формулах, показанных в работе [25, 53] использовались для сравнения с экспериментальными результатами, полученными на резонансной длине волны третьей гармоники с достаточно хорошим согласием [26, 2]. Оптимизация параметров электронного пучка заключается в тонкой настройке лазера, падающего на катод с определенной высокочастотной фазой, что, вероятно компенсирует изменение фазы, которое происходит после первоначальной оценки характеристик электронного пучка. Такое изменение фазы может повлиять на условия согласования, а также эмиттанс электронного пучка и коррелированное распространение энергии. Этот эффект изучался кодом PERSEO с разными условиями согласования и значениями эмиттанса. Моделирование (A) на рис. 10 представляет соответствующий номинальный случай, как на рис. 4. Моделирование (B) была получена за счет увеличения среднеквадратичного значения радиуса пучка на 30%, что соответствует . Это моделирование вписывается довольно точно в экспериментальные данные, относящиеся к неоптимизированной последовательности вдоль ондулятора. Моделирования (C) соответствует случаю, с номинальным совпадением и с уменьшенным значением эмиттанса ~2.0 мм-мрад в обеих плоскостях. Часть излучения, которое является параметром, влияющим на коэффициент усиления ЛСЭ, может быть ниже, чем значение, измеренное при квадрупольном сканировании и приведенное в табл. 1. В этом случае эффективный размер электронного пучка и соответствующая ему длина усиления будет короче. В этом режиме снижается длина усиления излучения за счет роста плотности тока, а не из-за снижения неоднородного уширения. Моделирование (D) на рис. 10 было получено с тем же излучением, как в случае (С) и с таким же поперечным сечением, как в (B) и согласуется с аналогичной точностью с экспериментальными данными. Также сделали моделирование несоответствия пучка проходящего через секции ондулятора в коде MEDUSA путем небольших изменений в параметрах Твисса. Изменения в параметрах Твисса приводят к увеличению среднего значения поверхности электронного пучка равное 150 мкм, что дается результатами моделирования программой MEDUSA, близкими к экспериментальным данным. Рис. 10: Сравнение экспериментальных данных по основной гармонике и моделирования, сделанное с кодом PERSEO в разных условиях и с разными эмиттансами: (A) эмиттанс (x/y) (2,05/2,09 мм-мрад) и ; (B) эмиттанс (x/y) (2,05/2,09 мм-мрад) и ; (С) эмиттанс (x/y) (2,00/2,00 мм-мрад) и ; (D) эмиттанс (x/y) (2,00/2,00 мм-мрад) и Следующее изображение (рис. 11) демонстрирует поведение ширины линии излучения как функцию от продольного положения электронного пучка в ондуляторе. Спектры измерены через два метра после последнего модуля ондулятора. Геометрия вакуумной камеры и линии транспортировки со спектрометром выбирается малой долей расходимости излучения. Линии представляют собой прогнозы моделирования программами PERSEO, GENESIS 1.3, MEDUSA, и GINGER. Спектр, вычисленный в GENESIS 1.3 и показанный на рис. 66 определяется по координате поля , и распространяется в дальнем поле. Рис. 11. Экспериментальные ширины линии излучения ЛСЭ (черные кружки) в зависимости от продольного положения в ондуляторе Линии представляют собой моделирование данных, полученных различными программами: красный - PERSEO, коричневый - GENESIS 1.3, синий - MEDUSA, и зеленый - GINGER. Столбики ошибок обозначают ±2 стандартных отклонения измеренных ширин линии излучения оцениваемых по более 50 событиям. Вид спектра изменяющегося в течение экспоненциального роста излучения приведен на рис. 12. Спектры были получены при различных условиях, но с очень схожими параметрами электронного пучка перечисленными в табл. 1. Данная картина представляет подборку из шести спектров, полученных путем последовательного подавления процесса усиления в первой части ондулятора и расстройкой резонанса в выбранных секциях. Такая процедура позволила померить спектры, генерируемые в остальных модулях при увеличении количества ондуляторов участвующих в усилении и сохранении неизменной геометрии детектирования излучения. Вертикальная ось на каждом изображении показывает положение на вертикальной входной щели спектрометра. Число на левом верхнем углу показывает количество активных секций ондулятора. Интенсивности на различных изображениях нормированы на соответствующие максимальные значения. Первый спектр на рис. 12 получен резонансом только в последней секции, которая является результатом интегрирования по 100 импульсам. Энергия от последних двух и более секций ондулятора позволило получить изображение за один выстрел. Характер излучения SASE имеет остроконечный вид в спектре полученного с использованием всего двух модулей ондулятора. Рис. 12: Процесс изменения спектра в течение экспоненциального роста усиления В этой работе показаны результаты, полученные при генерации электронного пучка в режиме SASE на SPARC для пикового тока порядка 53 A на длине волны 500 нм, где наблюдается общий коэффициент усиления близкий к 107. Получена максимальная энергия излучения импульса равная приблизительно 0,01 мДж. Сделаны подробные измерения спектров путем последовательного выключения взаимодействия ЛСЭ в отдельных секциях ондулятора. Результаты моделирования, сделанные программами PERSEO, GENESIS 1.3, MEDUSA, и GINGER были сравнены с экспериментальными данными на основной частоте и частоте третьей гармоники.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.