УДК 621.384.6, 621.373 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

УДК 621.384.6, 621.373
НОВОСИБИРСКИЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ
ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
-
Н.А.Винокуров, В.С.Арбузов, П.Д.Воблый, В.Н.Волков, М.Г.Власенко,
Я.В.Гетманов, Е.И.Горникер, О.И.Дейчули, Е.Н.Дементьев, Б.А.Довженко,
Н.С.Заиграева, Б.А.Князев, Е.И.Колобанов, А.А.Кондаков, В.Р.Козак,
Е.В.Козырев, В.В.Кубарев, Г.Н.Кулипанов, Э.А.Купер, И.В.Купцов,
Г.Я.Куркин, Л.Э.Медведев, Л.А.Мироненко, В.К.Овчар, Б.З.Персов,
А.М.Пилан, В.М.Попик, В.В.Репков, Т.В.Саликова, И.К.Седляров,
Г.В.Сердобинцев,
С.С.Середняков,
А.Н.Скринский,
Г.И.Созинов,
С.В.Тарарышкин, В.Г.Ческидов, К.Н.Чернов, М.А.Щеглов, О.А.Шевченко
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия
e-mail: O.A.Shevchenko@inp.nsk.su
Аннотация
Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются уникальными
источниками электромагнитного излучения с перестраиваемой длиной волны.
В ИЯФ СО РАН ведется работа по созданию мощного ЛСЭ, длина волны
которого может изменяться в диапазоне от 5 до 240 микрон. Первая и вторая
очередь ЛСЭ уже работает на пользователей, и основной задачей на данный
момент является запуск ЛСЭ третьей очереди. В статье описано текущее
состояние дел на двух действующих ЛСЭ, а также представлены последние
результаты работ по запуску ускорителя электронов для третьего ЛСЭ.
Введение
Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются уникальными источниками
монохроматического электромагнитного излучения (см. [1 – 3]). Принцип действия ЛСЭ
основан на эффекте вынужденного ондуляторного излучения, суть которого заключается в
том, что взаимодействие электронного пучка с внешней электромагнитной волной в
ондуляторе приводит к возникновению продольной модуляции плотности тока. В результате
собственное излучение пучка становится когерентным с полем внешней электромагнитной
волны, и при их конструктивной интерференции мощность волны увеличивается. Если в
системе присутствует обратная связь, которая, как правило, обеспечивается зеркалами
оптического резонатора, то возникает генерация. Для эффективного взаимодействия
электронов пучка с внешней волной необходимо, чтобы выполнялось так называемое
условие синхронизма. Это условие связывает длину волны излучения с энергией электронов,
а также периодом и амплитудой магнитного поля ондулятора. Меняя эти параметры, длину
волны ЛСЭ можно перестраивать в широком диапазоне. Другим достоинством ЛСЭ, которое
выгодно отличает их от обычных лазеров, является отсутствие активной среды (не считая
электронного пучка). Благодаря этому в ЛСЭ можно получать излучение с высокой средней
мощностью. Средняя мощность выведенного излучения в ЛСЭ напрямую связана с
мощностью электронного пучка. Отношение этих двух величин называется электронным
К.П.Д. Как правило его величина не превышает 1%. Это ограничение обусловлено
нарушением условия синхронизма для замедленных электронов.
Наиболее сложным и дорогим элементом любого ЛСЭ является ускоритель
электронов. В ЛСЭ используются ускорители разных типов, однако для создания мощных
ЛСЭ наиболее удачным решением является применение особого класса электронных
ускорителей – высокочастотных ускорителей-рекуператоров (УР) (А. Н. Скринский и Н. А.
Винокуров, 1978 г.). В УР электроны сначала ускоряются в высокочастотных резонаторах,
затем используются в ЛСЭ (или для других целей), а после этого замедляются в тех же
высокочастотных резонаторах, возвращая мощность, затраченную на ускорение. Применение
УР позволяет получать большие средние токи электронов и существенно снижает
радиационную опасность установки. При этом, в отличие от накопителей, мощность ЛСЭ не
ограничивается деградацией параметров пучка за счет многократного их взаимодействия с
излучением.
Новосибирский ЛСЭ. Первая очередь
В настоящее время в мире существует три ЛСЭ, рассчитанных на получение высокой
средней мощности [4 - 6]. В ИЯФ ведется строительство ЛСЭ, диапазон перестройки длины
волны которого будет составлять от 5 до 240 микрон. Первая очередь этого ЛСЭ была
запущена в 2003 г. Полученные параметры излучения приведены в таблице 1. Средняя
мощность 500 Вт является мировым рекордом для источников излучения в терагерцовом
диапазоне частот. Схема УР первой очереди показана на рис. 1. Она включает в себя
основную ускоряющую структуру, состоящую из 16 высокочастотных (ВЧ) резонаторов, а
также инжектор с впускным каналом и одну дорожку с ондуляторами ЛСЭ, которая
расположена в вертикальной плоскости. Пучок электронов из инжектора с энергией 2 МэВ
попадает в ускоряющую структуру, где увеличивает свою энергию до 12 МэВ, далее при
помощи поворотного магнита он направляется в ондулятор, где отдает часть своей энергии в
излучение. После этого пучок, возвращаясь в основную ускоряющую структуру в
замедляющей фазе, теряет энергию практически до энергии инжекции и сбрасывается в
поглотитель. Рабочая частота ВЧ резонаторов составляет 180.4 МГц, поэтому они имеют
довольно большие размеры и, одновременно, большие поперечные апертуры, что позволяет
обеспечить высокий акцептанс системы для рекуперируемого пучка. Основные параметры
УР первой очереди представлены в таблице 2.
Излучение ЛСЭ по заполненному сухим азотом каналу выводится в помещение для
пользователей, где разводится по экспериментальным станциям. На станциях работают
сотрудники нескольких институтов РАН и Новосибирского государственного университета.
Они выполняют исследовательские работы по физике твердого тела, исследованию
нанообъектов
и
наноструктур,
субмиллиметрового
экспериментаторами
излучения
биологии,
с
химии
перестраиваемой
принципиально
новые
и
др.
длиной
возможности.
Применение
волны
Например,
мощного
открыло
перед
сотрудниками
Института цитологии и генетики СО РАН, Института химической кинетики и горения СО
РАН и Института ядерной физики СО РАН разработан метод «мягкой абляции» для
исследования биологических макромолекул (например, ДНК). Метод основан на том, что
энергия фотона субмиллиметрового излучения настолько мала, что (если отстроить частоту
излучения от резонансных частот) не только не разрушает молекулы, но и сохраняет их
биологическую активность.
Новосибирский ЛСЭ. Вторая и третья очередь
Полномасштабный УР (рис.2) использует ту же ускоряющую ВЧ-структуру, что и УР
первой очереди, но расположен, в отличие от последнего, в горизонтальной плоскости.
Таким образом, не потребовался демонтаж одного для постройки другого. Ускоритель может
работать в трех режимах, выбор которых осуществляется простым переключением
поворотных магнитов. При выключенных горизонтальных магнитах пучок используется в
ЛСЭ первой очереди, а при включенных он попадает на первую горизонтальную дорожку,
после чего возвращается в ускоряющую структуру и продолжает набирать энергию. На
второй дорожке имеется байпас, где установлен еще один ЛСЭ с диапазоном 40 – 80 мкм.
После прохождения байпаса пучок возвращается в ускоряющую структуру в тормозящей
фазе и после двух торможений сбрасывается в поглотитель. Если выключить магниты
байпаса, то после второй дорожки пучок продолжит набирать энергию и в конечном итоге
окажется на четвертой дорожке с энергией 42 МэВ. Здесь планируется установить мощный
ЛСЭ ближнего ИК диапазона в области длин волн 5 – 35 мкм
ЛСЭ второй дорожки (см. рис. 2) был запущен в 2009 г. Получено когерентное
излучение в диапазоне длин волн 40 – 80 микрон со средней мощностью около 0,5 кВт, что
является мировым рекордом в этом диапазоне. В 2010 году излучение второго ЛСЭ выведено
на существующие пользовательские станции. На ближайшее будущее запланированы
повышение мощности излучения и оптимизация магнитной структуры с целью уменьшения
потерь
пучка
из-за
энергетического
разброса,
который
появляется
в
результате
взаимодействия с излучением ЛСЭ.
В настоящее время основной задачей является запуск УР третьей очереди. К данному
моменту удалось провести 80% тока пучка до поглотителя. При этом амплитуды сигналов с
датчиков положения, соответствующие первому и последнему прохождению пучка через
ускоряющую структуру, практически не отличаются друг от друга. Это свидетельствует о
том, что основная часть потерь происходит непосредственно перед поглотителем.
Достигнутый уровень потерь позволил получить средний ток 1 мА.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, работа
выполнена с использованием оборудования ЦКП СЦСТИ.
Список литературы:
1. Murphy J.B., Pellegrini C. Introduction to the physics of the free electron laser. Laser
handbook, vol. 6, p. 9. North-Holland, Amsterdam, 1990.
2. Маршалл Т.С. Лазеры на свободных электронах. - М.: Мир, 1987.
3. Агафонов А.В., Лебедев А.Н. Лазеры на свободных электронах. - М.: Знание, 1987.
4. Gavrilov N.G. et al. //IEEE J. Quantum Electron., QE-27, p. 2626, 1991.
5. Neil G. R. et al. // Phys. Rev. Lett. 84 (2000), p. 662.
6. Minehara E.J. //Nucl. Instr. and Meth. A, V. 483, p. 8, 2002.
7. Antokhin E.A. et al. // Problems of atomic science and technology. – 2004. No 1. – P. 3-5.
8. Antokhin E.A. et al. // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. – 2004. –
Vol. A528, No 1/2. – P. 15. –18.
Таблица 1.
Длина волны, мм
0.12 – 0.24
Длительность импульса, пс
70
Частота следования импульсов, МГц
2.8 - 11.2
Средняя мощность, Вт
до 500
Пиковая мощность, МВт
до 1
Минимальная относительная ширина линии
3·10-3
Таблица 2.
Длина волны ВЧ, м
1.66
Количество ВЧ резонаторов
16
Энергия инжекции, МэВ
2
Максимальная энергия электронов, МэВ
12
Частота следования сгустков, МГц
5.6 – 22.4
Максимальный средний ток, мА
30
Нормализованный эмиттанс пучка, мм•мрад
30
Энергетический разброс в ЛСЭ, %
0.5
Длина электронного сгуска в ЛСЭ, нс
0.07
Пиковый ток в ЛСЭ, А
20
Подписи к рисункам
Рисунок 1. Схема первой очереди Новосибирского лазера на свободных электронах. 1 –
электронная пушка, 2 – ВЧ резонаторы, 3 – поглотитель, 4 и 5 – зеркала оптического
резонатора, 6 – ондуляторы
Рисунок 2. Общий вид магнитной системы УР с тремя ЛСЭ (вид снизу).
3
4
Рисунок 1.
Рисунок 2.
2
6
1
5
NOVOSIBIRSK FREE ELECTRON LASER – CURRENT STATUS AND
FUTER PROSPECTS
N.A.Vinokurov, V.S.Arbuzov, P.D.Vobly, V.N.Volkov, M.G.Vlasenko,
Ya.V.Getmanov, E.I.Gorniker, O.I.Deychuli, E.N.Dementyev, B.A.Dovzhenko,
N.S.Zaigraeva, B.A.Knyazev, E.I.Kolobanov, A.A.Kondakov, V.R.Kozak,
E.V.Kozyrev, V.V.Kubarev, G.N.Kulipanov, E.A.Kuper, I.V.Kuptsov, G.Ya.Kurkin,
L.E.Medvedev, L.A.Mironenko, V.K. Ovchar, B.Z.Persov, A.M.Pilan, V.M.Popik,
V.V.Repkov, T.V.Salikova, I.K.Sedlyarov, G.V.Serdobintsev, S.S.Serednyakov,
A.N.Skrinsky, G.I.Sozinov, S.V.Tararyshkin, V.G.Tcheskidov, K.N.Chernov,
M.A.Scheglov, O.A.Shevchenko
Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of
Sciences, Russia, Novosibirsk, akademika Lavrentieva prospect, 11, 630090
Abstract
Free electron lasers (FEL) are unique sources of electromagnetic radiation with
tunable wavelength. High power FEL which wavelength can be tuned from 5up to
240 microns is being developed now in Budker INP. The first and second stages of
this FEL have been already commissioned and work for users. The main priority now
is commissioning of the third stage. In this paper we present current status of two
working FELs as well as our recent progress with the commissioning of the third
stage FEL accelerator.