21
Основные свойства синхротронного излучения. Продолжение. А.С. Гоголев, ассистент ПФ ФТИ ТПУ

Основные свойства синхротронного излучения . Продолжение

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Основные свойства синхротронного излучения . Продолжение. А.С. Гоголев, ассистент ПФ ФТИ ТПУ. Синхротронное излучение (СИ) это магнитотормозное излучение релятивистских электронов с энергией. где Е – энергия электрона, mc 2 =0,5 МэВ – его энергия покоя,. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Основные свойства синхротронного излучения.

Продолжение.

А.С. Гоголев, ассистент ПФ ФТИ ТПУ

Page 2: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Синхротронное излучение (СИ) это магнитотормозное излучение

релятивистских электронов с энергией

21

E

mc

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

1xz

Page 3: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

2

фmcRL eH

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:

2( )ф ф

c

L L mcT v с eH

Page 4: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Спектр излучения при этом будет иметь максимум при длине волны

3cR

5 4

2 214 0,42E i HE i

IRL L

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/λна данной длине волны (Вт/мм2 )

2

12

5,9 / /c c

E iI

L

где λ выражено в нм, а η(λ/ λс ) и ν(λ/ λс ) – универсальные спектральная и угловая функции СИ.

Page 5: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

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:

162,46 10 / /cN i E

2 2/ ( )x z zB N

где Δх Δz –эффективный горизонтальный и вертикальный размеры пучка; Δθz – угловой разброс электронов в пучке по вертикали.

Page 6: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Степень линейной поляризации СИ рассчитывается по формуле

22 22/3 1/32

22 22/3 1/32

( )1 ( )

,( )

1 ( )

K KI I

PI I

K K

К – модифицированные функции Бесселя с аргументом

3/ 221 ( )2c

Cтепень циркулярной поляризации

2 I IQ

I I

Page 7: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Встроенные устройства

Page 8: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Шифтер (wavelength shifter)

Page 9: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Виглер (wiggler)

Page 10: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Ондулятор (undulator)

Page 11: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Ондулятор (undulator)

Page 12: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Суперповоротные магниты (superbend)

Page 13: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Интенсивность СИ

Page 14: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

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

Page 15: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

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)

Page 16: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Эллиптический виглер

Page 17: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Излучение электронов в ондуляторе

0змL N где λ0 – период ондулятора, N – число периодов.

Спектральное и угловое распределения излучения из ондуляторасущественно зависят от соотношения между максимальным

углом поворота электрона в магнитном поле ондулятора

0 0 00 22 2

eH

R mc

и углом излучения из одиночного магнита

1/xz Отношение этих величин – параметр ондуляторности

00 22

eHK

mc

который и определяет режим работы ондулятора

Page 18: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

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

2 2 20 0 0

2 21 1

2 2 2 2онд

KТс

В точке наблюдения расположенной под углом θ к оси ондуляторарегистрируется излучение с длиной волны

22 20

21

2 2онд

K

при этом монохроматичность излучения Δλ/λ=1/N

Излучение на оси ондулятора с поперечным магнитным полемлинейно поляризовано, со спиральным магнитным полем -

циркулярно поляризовано

Page 19: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

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 гармоникиондуляторного излучения ( i = 1,2,3…)

22 20

21

2 2i

K

i

Cинхротронный режим ( К>>1 )В этом случае характеристики излучения в точке наблюденияполучаются за счет суммирования потоков с разных участков

траектории. Режим используется для сдвигаспектра СИ в жесткую область ( как правило используются

сверхпроводящие магниты) или для повышения мощности

пучков СИ при использовании многополюсных змеек (вигглеров)( N = 50 – 200).

Page 20: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Влияние параметров электронных пучков на характеристикипотоков СИ

Основной потребительской характеристикой пучков СИявляется спектральная яркость, равная числу фотонов

излучаемых в единицу времени (Nλ), с единицы площади (S)

в единицу телесного угла (Ω)

NB

S

Яркость существенно зависит от размеров σx,z и

угловых разбросов θx,z электронного пучка. Поскольку σx,z θx,z

=εx,z где εx,z фазовый объем электронного пучка, то

наиболее важным условием повышения яркости является

минимизация эмиттанса электронного пучка в ускорителе.

Page 21: Основные свойства синхротронного излучения .  Продолжение

Кроме того, яркость источника может быть повышена установкой виглеров и ондуляторов, для чего магнитная структура накопителя должна иметь длинные проямолинейные промежутки.

В центре промежутков

, , , , , ,, /x z x z x z x z x z x z 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 ,имеющих угловой

разброс θx,z, Lондθ2

x,z < λонд/π, что приводит к требованию:

,,

онд ондx z

x z

L