拉曼型自由电子激光器中相对论电子运动稳定性的比较研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 8 (2013) 084104 拉曼型自由电子激光器中相对论电子运动 稳定性的比较研究* 1 1 1 1 1 1 12† 徐勇根 王时建 吉驭嫔 徐竟跃 卢宏 刘晓旭 张世昌 1) ( 西华大学物理与化学学院物理系, 成都 610039 ) 2) ( 西南交通大学光电子学研究所, 成都 610031 ) ( 2012年10月9 日收到; 2012年11月7 日收到修改稿) 拉曼型自由电子激光器作为一种兆瓦级高功率毫米波、太赫兹波辐射源, 其电子的运动稳定性对整体器件的 性能至关重要. 本文采用科尔莫戈罗夫熵方法, 以典型的麻省理工学院公布的实验数据为例, 比较研究拉曼型正向 导引磁场和反向导引磁场两类自由电子激光器中相对论电子的运动稳定性. 结果表明: 摇摆器绝热压缩磁场对电子 运动的稳定性无实质性影响, 但对电子运动影响大; 电子束自身场在拉曼型正向导引磁场自由电子激光器中使电子 运动稳定性变差, 而在拉曼型反向导引磁场自由电子激光器中则可改善电子运动稳定性. 关键词: 拉曼型自由电子激光器, 相对论电子运动稳定性, 科尔莫戈罗夫熵, 电子束自身场 PACS: 41.60.Cr, 52.59.Rz DOI: 10.7498/aps.62.084104 长波长电磁辐射的研究在不断开展914 . 1 引言 短波长自由电子激光器采用高能量低密度相 对论电子束, 属于康普顿型, 而长波长自由电子激 与普通激光器不同, 自由电子激光器的工作频 光器则采用低能量高密度相对论电子束, 属于拉曼 率主要由电子束的相对论能量因子γ 和摇摆器的 型. 由于拉曼型自由电子激光器使用的电子束的 空间周期λw 决定; 因此, 通过控制某些工作参量, 流密度高、能量低, 为防止电子束在输运过程中发 从而改变γ 和λw 值, 实现频率连续可调, 原则上 散, 需外加与电子束平行的纵向静磁场来引导电子 可以覆盖从微波至 1,2 γ 射线全波段 . 自由电子激 束输运. 早期通常采用导引磁场的方向与电子纵 光的研究热点之一, 就是利用这一优势向普通高功 向运动同向, 即正向导引磁场. 后来, 美国麻省理 率有源器件(千瓦及以上) 难于达到的频谱高、低 工学院的Conde 和Bekefi6 实验发现, 当导引磁场 两极发展. 目前, 在频谱的高端即短波长方面, 2009 方向与电子束纵向运动方向相反, 所获得的输出功 年美国斯坦福加速器中心(SLAC) 实现世界上第一 率和效率比同向情况高得多. Conde-Bekefi 实验揭 台硬X 射线自由电子激光(波长0.15 nm)3 ; 2011 示了一种新机制, 拉曼型自由电子激光器由此分成 年2 月, 日本同步辐射研究所的LASER 自由电子 正向导引磁场和反向导引磁场两大类, 其理论和实 激光装置, 实验波长缩短到0.12 nm4 , 据2011 年8 验研究持续至今. 2011 年, 俄罗斯杜布纳联合核研 月在上海召开的第33 届国际自由电子激光大会报 究所(JINR) 和俄罗斯科学院应用物理研究所(IAP) 道, 2011 年6 月该装置受激出光, 创造了波长短于 用反向导引磁场自由电子激光装置, 开展了高功