Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”

На правах рукописи

УДК 539.1

ТОЛМАЧЕВ Сергей Валерьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПЕЦИАЛЬНЫХ

ОНДУЛЯТОРОВ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ И ЛАЗЕРНЫХ

УСКОРИТЕЛЕЙ

01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА – 2004

Работа выполнена в Российском научном центре "Курчатовский Институт".

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ВАРФОЛОМЕЕВ доктор физико-математических наук, профессор, Александр Алексеевич РНЦ «Курчатовский институт»

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

САДИКОВ доктор физико-математических наук, профессор, Игорь Петрович РНЦ «Курчатовский институт»

ПАПАДИЧЕВ кандидат физико-математических наук, Виталий Аркадьевич Физический институт им. Лебедева, РАН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт физических проблем им. П.Л. Капицы, РАН

Защита состоится "_" февраля 2005 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.01 при Российском Научном Центре «Курчатовский институт».

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан " 17 " декабря 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.В. Мерзляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. После создания в 1976 году группой Дж. Мэйди (Стэнфорд, США) первого лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в ведущих научных центрах мира интенсивно развиваются исследования в этой области.

Сильная зависимость длины волны ондуляторного излучения s ~ w 2 2 от энергии электронов и длины периода ондулятора w делает возможным создание ЛСЭ, работающих в широком, практически неограниченном диапазоне длин волн (от миллиметрового до рентгеновского). Использование в установках мощных электронных пучков позволяет получить высокую среднюю мощность когерентного излучения (до 103 Вт).

Характеристики излучения сильно зависят от параметров используемого ондулятора. Ширина спектра спонтанного ондуляторного излучения s s = (2 N ) определяется числом периодов ондулятора N. На самом деле, ширина спектра оказывается несколько больше из-за влияния неоднородностей амплитуд магнитных полей s s ~ B B и разброса относительно среднего длины периода (для однородного ондулятора) s s ~ w w. Поэтому точность изготовления отдельных деталей ондулятора, его сборки и настройки магнитных полей является важной практической задачей.

В последние годы стало интенсивно развиваться направление по созданию безрезонаторных (однопроходных) рентгеновских лазеров, которые по своим характеристикам (яркость, пиковая мощность) на порядки лучше современных источников синхротронного излучения. Установки подобного типа требуют создания ондуляторов длиной несколько сот метров с высокими требованиями на периодичность ( N 1 м) и для проверки фокусирующих свойств ондуляторов.

• Даны рекомендации по экспериментальной методике настройки полей периодических магнитных структур, обеспечивающие наибольшую точность настройки.

• Собран и настроен двухсекционный ступенчато-профилированный гибридный ондулятор KIAE-4, предназначенный для мощного мазера на свободных электронах.

С помощью индивидуальной настройки магнитного поля каждого полюса была получена высокая степень однородности амплитуд магнитных полей ( Byo Byo < 0.2%). В ходе проведенного с его использованием эксперимента FOM-Fusion-FEM генерировалось мм-излучение мощностью 120 кВт в 40 мкс импульсах. Частоту излучения можно было изменять от 130 до 260 ГГц в течение длительности импульса. Это свойство очень существенно для повышения эффективности нагрева плазмы в токомаках за счет подстройки частоты излучения под частоту циклотронного резонанса.

• Настроен короткопериодный гибридный ондулятор KIAE-1.5-1. В ходе проведенного с его использованием эксперимента на установке SATURNUS в безрезонаторном (однопроходном) ЛСЭ наблюдалось шестикратное усиление спонтанного излучения, что явилось первым убедительным доказательством возможности осуществления режима SASE.

• Для второго этапа эксперимента по SASE режиму ЛСЭ разработан, изготовлен и настроен 2 м безжелезный ондулятор на постоянных редкоземельных магнитах. В ходе эксперимента была получена рекордная (на то время) величина однопроходного усиления ЛСЭ (3105) на длине волны 12 мкм в режиме запуска от шумового сигнала. Анализ результатов этих двух экспериментов по изучению теории однопроходного ЛСЭ (режим SASE) показал возможность создания будущих коротковолновых (вплоть до мягкого рентгена) ЛСЭ.

• Разработан, сконструирован и настроен сильно профилированный ондулятор KIAE-2p длиной 50 см для эксперимента по осуществлению лазерного ускорения в системе обращенного лазера на свободных электронах. Ондулятор спроектирован на ускорение 14 МэВ электронного пучка лазерным пучком СО2 лазера мощностью до 1 ТВт. Впервые должен быть обеспечен захват электронов в ускоряемый сгусток до 30%. После регулировки отклонения магнитных полей ондулятора от требуемых проектом составили не более ±0.4%. В ходе первых сеансов эксперимента часть электронного пучка была ускорена до 32 МэВ в одной секции ондулятора.

';

Апробация работы. Материалы работы докладывались на следующих международных конференциях: 15th International Free Electron Laser Conference (Гаага, Нидерланды, 23-27 августа 1993), Международной конференции по синхротронному излучению (Новосибирск, 1994), 16th International Free Electron Laser Conference (Стэнфорд, США, 27-29 августа 1994), 17th International Free Electron Laser Conference (Нью-Йорк, США, 23-27 августа 1995), 2-ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск, Россия, 13-16 июня 1995), 18th International Free Electron Laser Conference (Рим, Италия, 26-31 августа 1996), 1997 Particle Accelerator Conference (Ванкувер, Канада, 12-16 мая 1997), 19th International Free Electron Laser Conference (Пекин, Китай, 18-21 августа 1997), 4ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Тайджон, Корея, 8июня 1999), 19th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop (Арчидосо, Италия, 10-15 сентября 2000), 2001 Particle Accelerator Conference (Чикаго, США, 18-22 июня 2001), 23rd International Free Electron Laser Conference (Дармштад, Германия, 20- августа 2001), 2003 Particle Accelerator Conference (Портланд, США, 12-16 мая 2003), 11th Advanced Accelerator Concepts Workshop (Стони Брук, США, 21-26 июня 2004), 26th International Free Electron Laser Conference (Триест, Италия, 28 августа – сентября 2004), XIX Российской ускорительной конференции RuPAC2004 (Дубна, Россия, 4-8 октября 2004). Сконструированные ондуляторы использовались в совместных международных проектах: FOM-Fusion-FEM в голландском институте физики плазмы; в экспериментах по изучению безрезонаторных ЛСЭ и лазерного ускорителя в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе.

Публикации. Результаты работы опубликованы в материалах указанных выше конференций, журналах Nuclear Instruments and Methods, Physical Review и Physical Review Letters, а также препринтах РНЦ «Курчатовский институт».

Объем и структура диссертации. Представленная работа состоит из введения, глав и заключения, изложенных на 199 страницах, включая 97 рисунков и библиографию из 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Во введении дается обзор физики ЛСЭ и экспериментальных исследований ЛСЭ. Показано преимущество излучения ЛСЭ над излучением молекулярных и твердотельных лазеров, а также его зависимость от основных параметров ондулятора. Отмечена тенденция к заполнению спектра частот, где отсутствуют классические лазеры. Причем особенно интенсивно в последние годы развивается направление коротковолновых вакуум ультрафиолетовых и рентгеновских лазеров.

1. Типы ондуляторов и технологии их изготовления В начале первой главы дается обзор типов ондуляторов и технологий их изготовления. По форме создаваемого магнитного поля ондуляторы делятся на плоские и спиральные. По изменению основных параметров магнитной системы вдоль направления распространения электронного пучка ондуляторы подразделяются на однородные и профилированные. По способу создания магнитного поля ондуляторы делятся на электромагнитные (в том числе сверхпроводящие) и на постоянных редкоземельных магнитах, которые, в свою очередь, подразделяются на безжелезные и гибридные. Показано, что наибольший интерес и широкое распространение в последние годы, как с точки зрения максимально достижимой амплитуды магнитных полей, так простоты и компактности конструкции, представляют ондуляторы на постоянных редкоземельных магнитах и, в особенности, плоские гибридные ондуляторы с полюсами из ванадиевого пермендюра.

2. Развитие технологии ондуляторов Вторая глава посвящена усовершенствованию ондуляторных технологий. В частности, увеличению амплитуды магнитного поля в ондуляторах с малой длиной периода, а также разработке ондуляторных схем, обеспечивающих встроенную фокусировку электронного пучка. Значение амплитуды магнитного поля, которое можно получить при проектировании безжелезных и гибридных ондуляторов в стандартных схемах называют пределом Хальбаха. На Рис. 1 показана величина этого предела для обоих случаев как функция отношения зазора к периоду намагниченностью Br = 0.9 Тл).

Рис. 1. Предел Хальбаха для различных отношений зазора ондулятора к его периоду для безжелезного и гибридного ондуляторов.

Подробно описаны три схемы ондуляторов, которые были разработаны с участием автора с т.н. встроенной фокусировкой и применены в реальных электронный пучок не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной. Это свойство упрощает проблему фокусировки электронных пучков в ЛСЭ, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, когда используются заметно расходящиеся электронные пучки низкой энергии, а также при генерации коротковолнового излучения в однопроходных схемах ЛСЭ, где требуется поддержание высокой эффективности взаимодействия электронного пучка и электромагнитной волны на сравнительно больших продольных расстояниях.

3. Усовершенствование методов измерения магнитных полей Третья глава посвящена методам измерения магнитных полей, которые использовались при настройке ондуляторов. Как известно, существует несколько методов, позволяющих получить подробную картину поля внутри магнитного элемента (приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, преобразователи Холла, измерительные катушки, вибрирующие проволоки и т.д.), и методы для определения интегральных характеристик магнитных элементов (протяженные интегрирующие катушки и продольные проволоки, импульсный проволочный метод). Показано, что для настройки магнитных ондуляторов целесообразно использовать два метода: для прецизионных измерений, необходимых для настройки амплитуд магнитных полей, лучше всего использовать датчики Холла; а для окончательной интегральной регулировки полей, которая позволяет настроить траекторию электрона внутри ондулятора, лучше использовать импульсный проволочный метод.

Метод с использованием преобразователя Холла является одним из наиболее точных и надежных методов. Измерения поля делаются шаг за шагом с остановками каретки с датчиком в точках измерений и требуют продолжительного времени.

Проволочный метод измерения магнитных полей менее точен, но имеет свои преимущества. Во-первых, он значительно быстрее. Во-вторых, он более компактный и может быть использован для измерения магнитных полей в узких зазорах внутри всего ондулятора. В-третьих, он дает прямую информацию о первом и втором интегралах магнитного поля, исключая ошибки численного интегрирования. Принцип метода заключается в следующем: по тонкой проволоке натянутой вдоль оси ондулятора пропускается импульс тока (см. Рис. 2). Под действием локальных поперечных сил Лоренца образуется область возмущения, которая распространяется в обе стороны с акустической скоростью ~300 м/с.

Оптический датчик, расположенный вблизи начала ондулятора, измеряет отклонение проволоки, которое пропорционально первому или второму интегралу магнитного поля в зависимости от длительности импульса тока.

Рис. 2. Схема установки для измерения магнитных полей ондулятора проволочным методом: 1 – неподвижная опора; 2 – проволока; 3 – ондулятор; 4 - датчик положения нити;

5 - подвижная опора; 6 – груз; 7 - демпферы.

Оба эти метода были существенно доработаны в процессе работы над диссертацией. Была достигнута высокая (0.1 Гаусс) точность измерения магнитных полей в стенде на основе датчика Холла. Импульсный проволочный метод был модернизирован для измерения полей протяженных (>1 м) ондуляторов и проверки их фокусирующих свойств. Проведено сравнение точности измерений обоими методами. Даны рекомендации по выбору метода измерения магнитных полей в последовательности настройки магнитных ондуляторов.

4. Применение модернизированных методов измерения магнитных полей для настройки реальных конструкций ондуляторов В четвертой главе демонстрируется использование усовершенствованных холловского и проволочного методов измерения магнитных полей для настройки реальных конструкций ондуляторов, а также приведены результаты физических экспериментов с их использованием.

Для прототипа мазера с перестраиваемой частотой мегаваттной мощности с спроектирован, собран и настроен двухсекционный ступенчато профилированный ондулятор гибридного типа. Специфические требования проекта не позволяли использовать ондулятор стандартной схемы. Особо серьезное требование – это сильное, превосходящее предел Хальбаха, магнитное поле при относительно большом отношении ондуляторного зазора к периоду ондулятора (0.65 и 0.73 для первой и второй секции соответственно). Кроме того, накладывались высокие требования на фокусировку мощного электронного пучка в диапазоне энергий от 1.75 до 2.0 МэВ. Потери электронного пучка при токе 12 А не должны были превосходить 0.2%. Эти требования были выполнены. Фотография собранного ондулятора и его разрез показаны на Рис. 3. Основные параметры изготовленного ондулятора приведены в Табл. 1.

Рис. 3. Ондулятор KIAE-4: а) фотография собранного ондулятора; б) поперечное сечение ондулятора: 1 – верхний пенал, 2 – нижний пенал, 3 – полюс, 4 – основной Sm2Co17 магнит, – боковой пенал, 6 – боковой SmCo5 магнит, 7- подвижный полюс, 8 – регулировочные винты, 9 – общая шунтирующая пластина, 10 – микровинт.

Табл. 1. Основные параметры ондулятора KIAE-4.

Полная длина ондулятора (без учета межсекционного зазора), м Рис. 4. Магнитное поле, измеренное датчиком Холла, на оси ондулятора KIAE-4 (а), его первый (б) и второй (в) интегралы, полученные численным интегрированием.

На Рис. 4 показаны результаты измерений магнитных полей ондулятора KIAEдатчиком Холла. С помощью индивидуальной настройки магнитного поля каждого полюса была получена очень высокая степень однородности – разброс амплитуд магнитных полей Byo Byo не превышал 0.2%. Вклад высоких гармоник в форму поля был меньше чем 0.25% для третьей гармоники и меньше чем 0.1% для пятой гармоники. Относительный разброс амплитуд второго интеграла поля от среднего (J o J o ) не превышает 10%.

В ходе проведенного эксперимента FOM-Fusion-FEM генерировалось ммизлучение мощностью 120 кВт в 40 мкс импульсах. В целом эксперимент показал, что заложенные в проект мазера принципы осуществимы и данный способ позволит получить мощное мм-излучение с большим к.п.д. за счет рекуперации и с перестраиваемой частотой в течение длительности импульса излучения. Это свойство существенно отличает мазер на свободных электронах от генераторов типа гиротронов. Это очень существенно для повышения эффективности нагрева плазмы в токомаках за счет подстройки частоты излучения под частоту циклотронного резонанса в процессе импульса излучения.

Для совместного с Университетом Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) проекта инфракрасного ЛСЭ с большим усилением SATURNUS (Табл. 2) был сконструирован и настроен короткопериодный гибридный ондулятор. Этот Табл. 2. Основные параметры установки SATURNUS.

Среднеквадратичный разброс энергии, % 0.08 – 0. эксперимент проводился для проверки возможности создания безрезонаторных (однопроходных) ЛСЭ, работающих в режиме самоусиления спонтанного излучения (SASE). Перед установкой ондулятора на электронный канал ускорителя автором была выполнена тонкая регулировка магнитных полей по второму интегралу поля с помощью проволочного метода. Результаты настройки приведены на Рис. 5.

Рис. 5. Первый (а) и второй (б) интегралы магнитного поля ондулятора KIAE-1.5.-1 после тонкой регулировки проволочным методом.

В ходе проведенного эксперимента наблюдалось явное усиление спонтанного излучения, и было получено увеличение интенсивности первой гармоники излучения на 600% относительно интенсивности спонтанного излучения и длина усиления 16 см. Эти результаты послужили экспериментальным подтверждение SASE теории для оптических длин волн и стали первым этапом на пути создания рентгеновских ЛСЭ осуществляются в настоящее время в ряде стран Европы, США, Японии).

5. 2 метровый KIAE-UCLA ондулятор и осуществление режима SASE в безрезонаторном ЛСЭ В описанном в предыдущей главе эксперименте по проверке режима SASE в ондуляторе KIAE-1.5-1 длинной 60 см не было возможности достичь насыщения.

Поэтому было принято решение продолжить этот эксперимент и сконструировать 2 м безжелезный ондулятор, чтобы приблизиться к режиму насыщения. Этому KIAE-UCLA ондулятору (см. Рис. 6а) посвящена пятая глава диссертации.

Табл. 3. Основные параметры KIAE-UCLA 2m ондулятора.

Рис. 6. KIAE-UCLA 2m ондулятор: а) фотография нижней половины ондулятора; б) поперечное сечение ондулятора: 1 – фокусирующие магниты; 2 – основные магниты; 3 – боковина; 4 – специальные направляющие; 5 – крышки; 6 – держатели фокусирующих магнитов; 7 – диагностическое окно. В верхнем правом углу показана схема расположения фокусирующих магнитов, стрелками показано направление намагниченности магнитов.

В ондуляторе использованы только постоянные редкоземельные магниты, включая его фокусирующую систему (см. Рис. 6б). Основные параметры ондулятора приведены в Табл. 3. Для проводки электронного пучка через достаточно длинный 2-х метровый ондулятор, необходимо было обеспечить равную фокусировку в двух поперечных плоскостях. Была предложена новая компактная схема квадрупольной фокусировки с использованием четырех линеек внешних постоянных магнитов, которые закреплялись на верхней и нижней крышках ондулятора. Создаваемый ими градиент поля обеспечивает фокусировку электронного пучка внутри ондулятора в плоскости колебаний, а в вертикальной плоскости, фокусировка осуществляется за счет уменьшенной естественной фокусировки.

После полной сборки ондулятора его магнитные поля проверялись с помощью проволочного метода. По измерениям второго интеграла магнитного поля, производились небольшие коррекции магнитного поля ондулятора. На Рис. показан окончательный результат настройки ондулятора в виде второго интеграла магнитного поля, измеренного проволочным методом. С помощью проволочного метода была также выполнена проверка фокусирующих свойств ондулятора.

Рис. 7. Второй интеграл магнитного поля настроенного KIAE-UCLA 2 м ондулятора.

Эксперимент по генерации излучения ЛСЭ был выполнен на ускорителе ЛосАламоской национальной лаборатории. Основные параметры установки даны в Табл. 4.

Табл. 4. Параметры электронного пучка и основные характеристики ЛСЭ Некоррелированный разброс энергии при 2 нКл, % 0. Рис. 8. Измеренная средняя выходная энергия излучения ЛСЭ и расчетные данные, полученные с помощью кода GINGER, для различных импульсных токов.

На Рис. 8 показана экспериментальная зависимость интенсивности излучения ЛСЭ от заряда в электронном сгустке, которая сравнивается с ожидаемой по теории SASE и вычисленной численно по программе GINGER. Видно, что результаты численного расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными в пределах погрешности измерений. Значение интенсивности при токе 167 А соответствует длине усиления излучения 12.5 см и полному усилению на длине ондулятора 3105. Таким образом, в результате проведенного эксперимента была получена максимальная (на то время) величина однопроходного усиления лазера на свободных электронах (3105) на длине волны 12 мкм в ЛСЭ, стартующем от шума.

Проведенный совместный эксперимент UCLA – Los Alamos – РНЦ КИ подтвердил правильность основных положений теории однопроходных ЛСЭ (теории SASE) и показал возможность создания нового поколения мощных источников когерентного рентгеновского излучения по этому принципу.

6. Создание ондулятора для лазерного ускорителя типа ОЛСЭ Проблеме создания ускорителя с высоким темпом ускорения посвящено много представляются лазерные ускорители. В шестой главе приводятся данные о жестко уникального эксперимента по лазерному ускорению типа обращенного ЛСЭ на базе электронного ускорителя и мощного тераваттного CO2 лазера в UCLA. Впервые было показано, что можно осуществить ускорение электронов на десятки МэВ (с 14 МэВ до 50 МэВ) в ондуляторе длиной 50 см. При этом в принципе может быть обеспечен высокий коэффициент захвата электронов в процесс ускорения (до 30%).

Расчетные параметры ускорителя даны в Табл. 5.

Табл. 5. Расчетные параметры лазерного ускорителя.

Поперечный эмиттанс, мкммрад Поперечный эмиттанс, мкммрад Конструирование ондулятора для ускорительной установки ОЛСЭ потребовало решения ряда проблем, новых по сравнению с вышеописанными ондуляторами для ЛСЭ. Лазерный пучок Гауссовой формы имеет относительно короткую релеевскую длину (3.6 см), поэтому напряженность электрического поля лазера-драйвера очень сильно изменяется вдоль длины ондулятора, достигая величины 2.81010 В/м в области фокуса в центре ондулятора.

Высокий темп ускорения означает не адиабатический режим ускорения.

Описать процесс аналитически было сложно, поэтому для расчетов динамики ускорения были использованы численные методы. Конфигурация магнитных полей ондулятора осуществлялась автором с помощью трехмерного компьютерного кода RADIA. Движение электронов в полях ондулятора и лазерного поля выполнялись с помощью кода, основанного на системе уравнений Лоренца, написанного в среде MathCAD. После первых расчетов делались необходимые коррекции магнитного поля, и расчеты повторялись заново. Окончательное решение проверялось по полученному коэффициенту захвата и величине ускорения электронного сгустка с помощью трехмерного кода транспортировки TREDI, специально адаптированного для обращенного ЛСЭ.

захватываемых в процесс ускорения частиц возможен при жестких требованиях на профилирование полей ондулятора. При существующих технологиях этим требованиям можно было удовлетворить только при двойном профилировании: как амплитуд магнитных полей, так и их периодов.

На Рис. 9а показана фотография собранного ондулятора для проекта ОЛСЭ.

Ондулятор состоял из двух секций, разделенных межсекционным промежутком, и имел общую длину около 50 см (включая оптимальный межсекционный зазор равный 9.1 мм). В Табл. 6 приведены основные параметры ондулятора.

Рис. 9. Ондулятор для лазерного ускорителя: а) фотография собранного ондулятора; б) схема одного полупериода ондулятора (стрелками обозначены направления намагниченности постоянных магнитов): 1 – неподвижный полюс; 2 – подвижный полюс; 3 – основные SmCo магниты; 4 – боковые NdFeB магниты.

Табл. 6. Основные параметры ондулятора KIAE-2p.

Полная длина ондулятора (без учета межсекционного зазора), мм В качестве основы конструкции ондулятора использована схема плоского гибридного ондулятора с боковыми магнитами (см. Рис. 9б). Для получения требуемых больших амплитуд магнитного поля были впервые применены полюса концентрирующей формы и трапециидальные боковые магниты, по форме и толщине совпадающие с полюсами.

Особое профилированию проведено для центральной части, расположенной в области фокуса лазерного пучка. Эта область отличается как максимальной амплитудой лазерного поля, так и малым (сравнимым с колебаниями электронного пучка) поперечным размером (0.35 мм) лазера. В соответствии с требованиями проекта, было важно обеспечить стабильность процесса ускорения: процент захвата электронов в ускоряемый сгусток, а также их конечная энергия, не должны сильно падать при небольших изменениях параметров электронного и лазерного пучков относительно номинальных. Расчетные разбросы начальных параметров установки (см. Табл. 7) свидетельствовали о принципиальной возможности создания проектируемого лазерного ускорителя ОЛСЭ.

Табл. 7. Максимальные разбросы начальных параметров установки.

Горизонтальное смещение лазерного пучка, мкм -200 – + В главе описывается механическая конструкция изготовленного ондулятора.

Впервые применено принципиально новое конструктивное решение - объединение последовательности сборки, механической юстировке и особенностях настройки магнитных полей профилированного ондулятора. Результаты настройки магнитных полей показаны на Рис. 10. Настройка проведена с помощью предусмотренных элементов регулировки: подвижных полюсов и боковых магнитов. Отклонение магнитных полей от теоретических составило не более ±0.4% за исключением межсекционной области. Отклонение второго интеграла магнитного поля от теоретического составило не более ±2.5% на всей длине ондулятора. Окончательная настройка входа и выхода ондулятора, а также проверка его фокусирующих свойств была проведена проволочным методом.

Рис. 10. Магнитное поле (а), его первый (б) и второй (в) интегралы после настройки второго интеграла магнитного поля с использованием датчика Холла.

Тест магнитных полей, полученных в реальной конструкции ондулятора (Рис. 10а), проведен путем расчета динамики ускоряемого электронного пучка в поле этого ондулятора и лазерной волны. Расчет показал, что более 27% электронов должно ускориться до энергии больше 48.5 МэВ (максимальная энергия 51.8 МэВ), а среднеквадратичный разброс энергий в ускоренном сгустке не должен превышать 1.6%.

К настоящему времени проведена первая фаза эксперимента ОЛСЭ в UCLA. В ходе проведенного эксперимента из-за технических сложностей не удалось обеспечить необходимые параметры лазерного пучка, положенные в основу расчета конструкции ондулятора. В частности, релеевская длина составляла всего лишь 1.8 см вместо расчетных 3.6 см. Поэтому удалось осуществить и зафиксировать ускорение лишь в первой секции ондулятора (при смещенном фокусе лазерного пучка). На Рис. 11 показаны результаты одного из проведенных сеансов, в ходе которого часть электронов была ускорена до энергии около 32 МэВ.

Рис. 11. Энергетическое распределение электронов на выходе из ондулятора.

Заключение Подведены итоги более чем 10 летнего опыта работы автора по созданию компактных ондуляторов на постоянных магнитах и развитию методик прецизионного измерения полей периодических магнитных структур. Все изготовленные ондуляторы являются оригинальными, отличаются от других по своей конструкции и свойствам. Каждый из них рассчитан под конкретный проект.

В целом они характеризуются короткими периодами, экстремально высокими полями, достигающими или даже превышающими так называемый предел Хальбаха, наличием встроенной системы фокусировки и высокой точностью настройки. В ходе проведенных экспериментов разработанные ондуляторы показали себя адекватными требованиям проектов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ:

1. A.A. Varfolomeev, A.S. Khlebnikov, N.S. Osmanov, S.V. Tolmachev «Undulator magnetic field measurements with the wire deflection method», Nucl. Instr. and Meth.

A341 (1994) p.p. 470 - 472.

2. A.A. Varfolomeev, Yu.P. Bouzouloukov, S.N. Ivanchenkov, A.S. Khlebnikov, N.S.

Osmanov, S.V. Tolmachev, W.H. Urbanus, M.J. van der Wiel «Magnetic field full test of two-section KIAE-4 undulator», Nucl. Instr. and Meth. A358 (1995) p.p. 396 - 398.

3. A.A. Varfolomeev, A.S. Khlebnikov, N.S. Osmanov, S.V. Tolmachev «Improved wire deflection method for magnetic field measurements in long undulators», Nucl. Instr.

and Meth. A358 (1995) ABS 46 – ABS 47.

4. A.A. Varfolomeev, Yu.P. Bouzouloukov, V.V. Gubankov, S.N. Ivanchenkov, A.S. Khlebnikov, N.S. Osmanov, S.V. Tolmachev «Development of focusing undulators on the basis of side magnet arrays», Nucl. Instr. and Meth. A359 (1995) p.p. 85 - 88.

5. A.A. Varfolomeev, Yu.P. Bouzouloukov, S.N. Ivanchenkov, A.S. Khlebnikov, N.S.

Osmanov, S.V. Tolmachev «Wire method for magnetic field measurements in long undulators», Nucl. Instr. and Meth. A359 (1995) p.p. 93 - 96.

6. V.V. Gubankov, S.N. Ivanchenkov, N.S. Osmanov, V.F. Pavluchenkov, S.V. Tolmachev, A.A. Varfolomeev «KIAE-1.5-3 Undulator Performance», Nucl.

Instr. and Meth. A375 (1996) p.p. 448 - 450.

7. P.V. Bousine, S.V. Tolmachev, A.A. Varfolomeev «Detailed analysis of the pulsed wire method», Nucl. Instr. and Meth. A393 (1997) p.p. 414 - 418.

8. N. Osmanov, S. Tolmachev, A. Varfolomeev, A.A. Varfolomeev Jr., P. Frigola, M.

Hogan, C. Pellegrini, R. Carr, S. Lidia «UCLA-KIAE focusing permanent magnet undulator for SASE experiment», Nucl. Instr. and Meth. A407 (1998) p.p. 423 - 427.

9. N.S. Osmanov, S.V. Tolmachev, A.A. Varfolomeev «Further development of the pulsed wire technique for magnetic field and focusing strength measurements in long undulators», Nucl. Instr. and Meth. A407 (1998) p.p. 443 - 447.

10. M. Hogan, C. Pellegrini, J. Rosenzweig, S. Anderson, P. Frigola, A. Tremaine, C. Fortgang, D.C. Nguyen, R.L. Sheffield, J.Kinross-Wright, A. Varfolomeev, A.A. Varfolomeev, S. Tolmachev, R. Carr «Measurements of Gain Larger than 105 at 12 µm in a SASE FEL», Phys. Rev. Lett. 81(1998) p.p. 4867 - 4870.

11. W.H. Urbanus, W.A. Bongers, C.A.J. van der Geer, P. Manintveld, J. Plomp, J. Pluygers, A.J. Poelman, P.H.M. Smeets, A.G.A. Verhoeven, V.L. Bratman, G.G. Denisov, A.V. Savilov, M.Yu. Shmelyov, M. Caplan, A.A. Varfolomeev, S.V. Tolmachev, S.N. Ivanchenkov, «A high-power electrostatic free-electron maser as a future source for fusion plasma heating: first experiments in short pulse regime», Phys. Rev. E 59 (1999) p.p. 6058 – 6063.

12. S.V. Tolmachev and A.A. Varfolomeev «Developed pulsed wire technique for undulator magnetic field measurements», Proceedings of Fourth Asian Symposium on FELs and Korea-Russia Joint Seminar on High-Power FELs, June 8-10, 1999, KAERI, Taejon, Korea, p.p. 363 - 368.

13. A.A. Varfolomeev, S.V. Tolmachev «Field characteristics of novel hybrid undulators adequate to LCLS requirements. Simulation results», Presented at 18-th ICFA Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources “Physics of and Science with the X-ray Free Electron Lasers”, Sept. 10-15, 2000, Arcidosso, Italy. AIP Conference Proceedings 581, Meville, New York, 2001, p.p. 73 – 77.

14. С.В. Толмачев «Расчет конструкции ондулятора с учетом технологических возможностей его изготовления для проекта обращенного ЛСЭ», Препринт ИАЭ-6237/2, Москва, 2001.

15. P. Musumeci, C. Pellegrini, J.B. Rosenzweig, A. Varfolomeev, S. Tolmachev, T. Yarovoi «On IFEL Experiment at Neptune Lab» Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, Illinois, USA, June 18 – 22, 2001, p.p. 4008 – 4010.

16. A.A. Varfolomeev, S.V. Tolmachev, T.V. Yarovoi, P. Musumeci, C. Pellegrini, J. Rosenzweig «An undulator with non-adiabatic tapering for IFEL project» Nucl.

Instr. and Meth. A483 (2002) p.p. 377 - 382.

17. S.V. Tolmachev and A.A. Varfolomeev «Novel hybrid undulator schemes providing unussally strong magnetic field strengths», Nucl. Instr. and Meth. A483 (2002) II-53 – 18. P. Musumeci, C. Pellegrini, J.B. Rosenzweig, S. Tochitsky, G. Travish, R. Yoder, A.

Varfolomeev, S. Tolmachev, A. Varfolomeev Jr., T. Yarovoi «Status of the Inverse Free Electron Laser Experiment at the Neptune Laboratory» Proceedings of the Particle Accelerator Conference, Portland, Oregon, USA, May 12 – 16, 2003, p.p.

1867 – 1869.

19. http://tormozz.polyn.kiae.su Интернет сайт Лаборатории Когерентных Излучений.