ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитное излучение, испускаемое ускоренными заряж. ч-цами в ондуляторах; излучение равномерно и прямолинейно движущегося осциллятора. Различные типы источников О. и., состоящих из ускорителя или накопителя ч-ц (чаще эл-нов) и ондулятора, могут испускать спонтанное некогерентное, спонтанное когерентное и индуцированное О. и.

Скорость ч-цы в ондуляторе можно представить в виде суммы скоростей: постоянной vп и периодической переменной Dv(t+T)=Dv(t) (T — период колебаний ч-цы в ондуляторе, t — время). Одиночная ускоренная ч-ца, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл.-магн. волн, длительность к-рого Dt зависит от угла q между vп и направлением наблюдения. На расстояниях R->Kl0 (l0 — длина периода траектории ч-цы в ондуляторе, К — число периодов)

Dt=(Kl0/cbп))1-bпcosq), (1)

где bп=vп/с. Испущенный ч-цей цуг содержит К периодов, и, следовательно, круговая частота осн. гармоники О. и. w1=2pK/Dt. В общем случае цуги волн О. и. на интервале Dt не явл. гармоническими и излучение происходит на неск. гармониках, кратных основной. Частоты wk k-той гармоники определяются в соответствии с Доплера эффектом ф-лой:

wk=kW/(1-bпcosq), (2)

где W=2pяbпс/l0 — частота колебаний ч-цы в ондуляторе. При q=0 частоты О. и. максимальны. Вследствие конечной длительности цугов, О. и., испускаемое ч-цей в нек-ром направлении, распределено в интервале частот Dwk., к-рый определяет естеств. ширину линии wk:

Dwk/wk»1/kK. (3)

При K->1 О. и., наблюдаемое под заданным углом 6, монохроматично и имеет частоту, соответствующую (2). Осн. часть энергии, испускаемой релятив. ч-цей, сосредоточена вблизи направления её мгнов. скорости v в узком диапазоне углов

где ? — энергия ч-цы, m — её масса, b — v/c; g наз. релятив. фактором ч-цы.

Вектор v изменяет своё направление относительно vп в нек-ром диапазоне углов Да. Если Da<-1/g, то ч-ца при движении в ондуляторе излучает в основном в направлении, близком к направлению vп, т. е. в диапазоне углов Д6, определяемых (4). С увеличением Da растёт ускорение ч-цы v, а следовательно, и полная интенсивность О. и.

При Da>1/g О. и. испускается в больший диапазон углов: Dq>Da. В направлении наблюдения (определяемом единичным вектором n) излучение испускается эффективно только в том случае, когда угол между n и v не превышает 1/g. При этом число гармоник О. п. резко возрастает, что приводит к уширению его спектра и сдвигу в более коротковолновую (жёсткую) область. При Da->1/g спектр О. и. становится близким к спектру синхротронного излучения. Величина спектр. плотности потока энергии О. и., испускаемого ч-цей в направлении vп, достигает макс. значения при Da»1/g (условие оптим. генерации).

Хар-ки О. и. пучка ч-ц зависят от угл. и энергетич. разброса ч-ц, размеров и формы пучка, а также от вида О. и. Фазы эл.-магн. волн. испускаемых разл. ч-цами пучка, для спонтанного некогерентного О. и. явл. случайными ф-циями времени, для спонтанного когерентного они скоррелированы между собой, а для индуцированного О. и.— скоррелированы между собой, а также и с фазой усиливаемой волны. Степенью фазовых корреляций (синфазностью) О. и. отд. ч-ц пучка в значит. степени определяются интенсивность, направленность, монохроматичность и степень поляризации О. и.

В источниках спонтанного некогерентного О. и. ч-цы пучка излучают независимо друг от друга. Интенсивность излучения такого пучка пропорц. его току г. В условиях оптим. генерации поток dnф/dt эквивалентных фотонов О. и. (поток полной, т. е. усреднённой по углам, энергии фотонов, делённый на макс. энергию одного фотона), испускаемых эл-нами в ондуляторах с поперечными гармонич. полями, равен

dnф/dt»aKi/e, (5)

где a=е2/ћс»1/137, е — заряд эл-на. В этих условиях при K=102 один эл-н, пройдя через ондулятор, испускает один фотон; пучок эл-нов с i=0,1 А создаёт поток dnф/dt=4•1017 фотонов в с. Для l0=3 см макс. энергия фотонов при этом составляет ок. 300 эВ, если ?=1 ГэВ, и ок. 30 кэВ при ?=10 ГэВ.

Источники О. и. с такими параметрами целесообразно создавать на основе синхротронов и накопителей эл-нов, в прямолинейных промежутках к-рых устанавливаются ондуляторы. В этом случае достигается высокая эффективность источников за счёт многократного прохождения ч-ц через ондулятор: эл-ны, потеряв энергию на излучение, восстанавливают её при движении в ускоряющей системе синхротрона (накопителя) и затем вновь попадают в ондулятор — происходит т. н. рекуперация энергии. Спонтанное О. и. может применяться в тех же областях исследований, что и синхротронное излучение: в рентг. микроскопии, рентг. структурном анализе, ат. и мол. спектроскопии, спектроскопии кристаллов, рентг. литографии, медицине и др. По сравнению с синхротронным излучением оно обладает более высокими интенсивностью, направленностью, степенью монохроматичности и поляризации.

В рассмотренных источниках длина периода траектории ч-цы в ондуляторе l0?1 см, т. к. она должна быть больше его апертуры, определяемой поперечными размерами пучка (?1 мм). Более жёсткое излучение (энергия квантов ћw11макс»?) при меньшей эффективности генерации можно получить, используя ондуляторы, в к-рых l0<-1 см. Ими могут служить эл.-магн. волны и кристаллы. Через кристалл ч-цы проходят однократно, поэтому кристаллы устанавливаются на краю рабочей области синхротронов, на выходе линейных ускорителей эл-нов, а также в электронных каналах протонных синхротронов. Поляризованные фотонные пучки, испускаемые эл-нами в поле поляризованной волны или в кристалле (когерентное тормозное излучение, каналированное излучение), используются в яд. физике и физике высоких энергий.

В источниках спонтанного когерентного О. и. используют пучок ч-ц, предварительно сгруппированный (сбанчированный) в сгустки длиной ?l=2pс/w, находящиеся друг от друга на расстоянии, равном или кратном l. В таком пучке излучения отд. ч-ц скоррелированы по фазе. Совр. техника группирования пучков позволяет осуществлять генерацию когерентного О. и. с l?1 нм.

В источниках индуцированного О. и. используют как сбанчированные, так и однородные по плотности пучки ч-ц. В ондулятор подаётся внеш. эл.-магн. волна, напр. свет. Если сгустки пучка ч-ц, сгруппированного на входе в ондулятор, попадают в тормозящие фазы электрич. поля Е эл.-магн. волны (поперечная составляющая скорости ч-цы, определяемая в основном полем ондулятора, направлена под острым углом к Е), то они отдают свою кинетич. энергию эл.-магн. волне, усиливая её (обратный Комптона эффект). Энергия усиленной волны представляет собой сумму энергий внеш. излучения, спонтанного когерентного О. и. и индуцированного О. и. Энергия последнего не равна нулю только в той области, где существует усиливаемая волна. Это означает, что индуцированное О. и. испускается в направлении распространения внеш. волны. Если поле излучения сгустков ч-ц |Eч|<-|E|, то все др. хар-ки индуцированного О. и. совпадают с хар-ками усиливаемой волны.

Ч-цы однородного пучка попадают " как в тормозящие, так и в ускоряющие фазы. Т. к. энергия ч-ц, находящихся в ондуляторе в разл. фазах волны, изменяется по-разному, то они начинают двигаться с разл. продольными скоростями и группируются в сгустки. Если нач. энергия ч-ц пучка выше нек-рой равновесной энергии, то ч-цы группируются в тормозящих фазах волны и, следовательно, усиливают её.

Источники О. и. всех видов обладают общей важной хар-кой — возможностью плавной регулировки частоты. В малом диапазоне частот (=10%) это достигается изменением bп.

Идея генерации спонтанного О. и. была впервые высказана и обоснована В. Л. Гинзбургом в 1947. Теоретически было показано, что О. и. должно обладать рядом преимуществ перед синхротронным излучением: монохроматичностью в заданном направлении, более высокой спектр. плотностью потока энергии излучения. Предложена схема рекуперации энергии. Дальнейшее развитие теория спонтанного О. и. получила в работах Г. Моца (1951—53, США), им были построены первые источники спонтанного некогерентного и спонтанного когерентного О. и., исследованы св-ва О. и. этих источников, визуально наблюдалась цветная радужная картина О. и. в оптич. диапазоне, согласующаяся с теоретически полученной зависимостью частоты от в. В 1958—59 Р. Твиссом (Австралия), Моцем, Р. Пантелом, Дж. Шнайдером (США) и А. В. Гапоновым-Греховым высказана и обоснована идея источников индуцированного О. и. Первые источники индуцированного О. и. были созданы и исследованы на длине волны l»10 см (1960, амер. физик Р. М. Фпллипс).