Основные свойства синхротронного излучения . Продолжение.

1. Основные свойства синхротронного излучения. Продолжение. А.С. Гоголев, ассистент ПФ ФТИ ТПУ

2. Синхротронное излучение (СИ) это магнитотормозное излучение релятивистских электронов с энергией где Е – энергия электрона, mc2 =0,5 МэВ –его энергия покоя, Если траектория электрона близка к окружности радиуса R, то СИ будет сконцентрировано вблизи плоскости орбиты в угле

3. В точку наблюдения, расположенную в этой плоскости, излучение приходит по касательной, проведенной к траектории из этой точки. Длина участка траектории, из которого видна точка наблюдения – длина формирования излучения – будет порядка, Длительность вспышки излучения в точке наблюдения при однократном прохождении электроном Lф оценивается как:

4. Спектр излучения при этом будет иметь максимум при длине волны Поток излучения (Вт/мм2 ) на расстоянии L(м) от точки излучения просуммированный по всему спектру где Е – энергия электронов, Гэв, i– ток, А, Н – магнитное поле –кЭ. Поток излучения в относительном спектральном интервале Δλ/λ на данной длине волны (Вт/мм2 ) где λ выражено в нм, а η(λ/ λс ) и ν(λ/ λс ) – универсальные спектральная и угловая функции СИ.

5. Полный поток фотонов всех энергий, излучаемый в горизонтальный угол N = 1,3 *1017 E*i фотон/с мрад Спектральный поток фотонов на данной длине волны в относительный интервал длин волн Δλ/λ, фотон/с мрад: Спектральная яркость источника СИ зависит от размеров и углового разброса электронов в пучке: где Δх Δz –эффективный горизонтальный и вертикальный размеры пучка; Δθz – угловой разброс электронов в пучке по вертикали.

6. Степень линейнойполяризации СИ рассчитывается по формуле К – модифицированные функции Бесселя с аргументом Cтепень циркулярной поляризации

7. Встроенные устройства

8. Шифтер (wavelength shifter)

9. Виглер (wiggler)

10. Ондулятор (undulator)

11. Ондулятор (undulator)

12. Суперповоротные магниты (superbend)

13. Интенсивность СИ

14. Дифракционный предел • Эмиттанс отдельного электрона ε = λ/4π • Яркость ~ 1025 фотонов / с рад2 мм2 0.1% ДЭ Поляризация в случае встроенных устройств Аналогично поворотному магниту: Если смотреть в плоскости орбиты накопительного кольца, СИ полностью линейно поляризовано в этой плоскости

15. Поляризация: дополнительныевозможности • В магнитных системах, в которых полюса располагаются не только в вертикальной плоскости, а в вертикальной + горизонтальной или по спирали, электроны движутся не по синусоиде в плоскости орбиты, а по более сложной спиралевидной траектории. В результате испускаемое СИ имеет круговую поляризацию. Направление вращения электрона определяет вид круговой поляризации СИ – правоциркулярный или левоциркулярный • Эллиптические виглеры (elliptical wiggler) • Спиральные ондуляторы (helical undulator)

16. Эллиптический виглер

17. Излучение электроноввондуляторе где λ0 – период ондулятора, N – число периодов. Спектральное и угловое распределения излучения из ондулятора существенно зависят от соотношения между максимальным углом поворота электрона в магнитном поле ондулятора и углом излучения из одиночного магнита Отношение этих величин – параметр ондуляторности который и определяет режим работы ондулятора

18. При малых полях в ондуляторе (К<< 1) поперечное движение электронов в ондуляторе нерелятивистское, поэтому величиной модуляции продольной скорости можно пренебречь и тогда в точке наблюдения на оси ондулятора регистрируется излучение с длиной волны В точке наблюдения расположенной под углом θ к оси ондулятора регистрируется излучение с длиной волны при этом монохроматичность излучения Δλ/λ=1/N Излучение на оси ондулятора с поперечным магнитным полем линейно поляризовано, со спиральным магнитным полем - циркулярно поляризовано

19. Режим генерации гармоник ондуляторного излучения ( К≥1 ) При увеличении магнитного поля в ондуляторе величина К увеличивается, поперечное движение электронов становится релятивистским, модуляция продольной скорости электрона становится существенной При этом в спектре излучения появляются гармоники ондуляторного излучения ( i = 1,2,3…) Cинхротронный режим ( К>>1 ) В этом случае характеристики излучения в точке наблюдения получаются за счет суммирования потоков с разных участков траектории. Режим используется для сдвига спектра СИ в жесткую область ( как правило используются сверхпроводящие магниты) или для повышения мощности пучков СИ при использовании многополюсных змеек (вигглеров) ( N = 50 – 200).

20. Влияние параметров электронных пучков на характеристики потоков СИ Основной потребительской характеристикой пучков СИ является спектральная яркость, равная числу фотонов излучаемых в единицу времени (Nλ), с единицы площади (S) в единицу телесного угла (Ω) Яркость существенно зависит от размеров σx,zи угловых разбросов θx,zэлектронного пучка. Поскольку σx,zθx,z =εx,z где εx,z фазовый объем электронного пучка, то наиболее важным условием повышения яркости является минимизацияэмиттанса электронного пучка в ускорителе.

21. Кроме того, яркость источника может быть повышена установкой виглеров и ондуляторов, для чего магнитная структура накопителя должна иметь длинные проямолинейные промежутки. В центре промежутков где βx,z эффективное фокусное расстояние магнитной системы. Для оптимизации вигглера на максимум яркости необходимо сжать размеры пучка за счет уменьшения βx,z в точке излучения. В месте установки вигглера должно быть βx,z≥ Lвиглера Яркость излучения в ондуляторе сильно зависит от углового разброса электронов в пучке т.к. для генерирования ОИ с Δλ/λ ~ 1/N и соответственно с яркостью Вонд~ N2 необходимо соблюдение по всей длине ондулятора условия интерференции излучения от электронов ,имеющихугловой разброс θx,z, Lондθ2x,z < λонд/π, что приводит к требованию: