渡越辐射自由电子激光中自发辐射与受激辐射的关系

Madey定理是关于自发辐射与受激辐射之间关系的一个定理,它是自由电子激光中的一个基本定理。本文对渡越辐射自由电子激光器研究了这个问题,结果表明,Madey定理的第一部分在渡越辐射自由电子激光中也存在对应的形式,但远为复杂;定理的第二部分形式不变。最后用所得结果进行了小信号增益的简化计算。 关键词：     

自由电子激光的基本原理

激光是基于受激放大原理而产生的一种相干光辐射.普通激光是固体或气体的原子或分子产生的受激相干辐射,而自由电子激光则是由真空中的自由电子产生的受激相干辐射.自由电子激光的概念是杰·梅第(John Maday)于1971年在他的博士论文中首次提出的［1］.1976年他和他的同事们在斯坦福大学建立了第一台远红外波段的自由电子激光装置,实现了10.6μm波长的光放大.研究表明,自由电子激光具有很多其它光源无法替代的优点,在科学研究、军事和国民经济各方面具有重要的应用前景［2］.因此从80年代中期开始,自由电子激光的研究在很多国家都开展…     

远红外契伦柯夫FEL的动力学理论

契伦柯夫自由电子激光可以产生远红外相干受激辐射。本文建立了契伦柯夫自由电子激光的动力学理论并详细研究了初始信号频率,电子束电压和束—介质膜间隙对器件性能的影响。与自由电子激光,回旋自谐振脉塞比较,指出了短波契伦柯夫自由电子激光的几个显著特点。     

对史密斯-帕塞尔自由电子激光光栅的研究

为了研究史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率和光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的关系,对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光利用粒子模拟软件进行模拟和理论分析。首先,利用粒子模拟软件模拟对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光进行了研究,发现史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率随光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的增大而减少。接着,对史密斯-帕塞尔自由电子激光的光栅槽进行了理论分析,发现每个光栅槽都可以等效为一个LC谐振电路,并发现在史密斯-帕塞尔自由电子激光中存在两种辐射,一种是史密斯-帕塞尔辐射,另一种是LC振荡辐射。最后,对光栅槽的LC振荡辐射进行了估算,发现史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的模拟值与光栅槽的LC振荡辐射估算值的数量级均为102 GHz,且变化规律上一致。据此推测决定史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的应该是光栅槽,而不是谐振腔。     

北京自由电子激光装置的红外激光振荡实验

本文阐述了北京自由电子激光装置所采取的优化电子束质量等措施以满足出光条件,和利用这台装置相继观察到了自发辐射、储存自发辐射和受激辐射的情况.测定的受激辐射讯号的强度、光谱、失谐曲线和波长移动均证明其为红外自由电子激光振荡讯号.     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

我国自由电子激光研究的最新进展

综述了我国一些研究单位的自由电子激光实验和理论研究，介绍并讨论了拉曼型自由电子激光、康普顿型自由电子激光以及电磁波泵浦自由电子激光和切连科夫自由电子激光等研究工作的最新结果。     

上海深紫外自由电子激光的非线性谐波辐射研究

 自由电子激光中的非线性谐波辐射能达到较高的谐波功率，可以用来得到短波长辐射或者降低第4代先进光源对电子束团品质的严厉要求。基于3维自由电子激光软件，深入详细地研究了上海深紫外自由电子激光装置的非线性谐波辐射，并且提出了谐波辐射实验和测量建议。研究表明上海深紫外自由电子激光装置3次非线性谐波辐射的功率可以达到基波功率的2%水平。     

深紫外自由电子激光装置最新进展

中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光团队于近日完成了一项新的自由电子激光实验,在上海深紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)上,利用相对论电子束团在沟槽金属结构中激起的尾波场,对电子束纵向相空间的非线性进行了补偿,并成功实现了自由电子激光辐射光谱的操控和改善。该项研究成果近日发表在《物理评论快报》。作为第四代先进光源,自由电子激光由高亮度电子束团驱     

带Wiggler场平板型部分填充介质CFEL的切仑柯夫自由电子激光的动力学耦合模理论

用二维波动力学耦合模理论研究了带Wiggler场平板型部分填充介质的FEL。研究结果表明,该系统可用低能电子束产生对介质厚度无特殊要求的短波长FEL。适当选择参数,可使其增长率和效率高于普通自由电子激光和切仑柯夫自由电子激光,并证明本系统超辐射放大的工作主模应是纵向截面电场模。     

受激渡越辐射光学速调管

本文提出一种基于受激渡越辐射的的光学速调管新方案。应用著名的Madey定理对这种新型的自由电子激光器进行了分析和计算,其中包括自发辐射的和受激辐射的分析讨论。结果表明,Madey定理确能简化复杂的计算,并给出清楚的物理概念;同时计算还表明,受激渡越辐射光学速调管具有大的输出增益。文中对N个介质区构成的多级光学速调管情形也进行了讨论。 关键词：     

Collective and single-electron interactions of electron beams with electromagnetic waves,and free-electron lasers

The field of radiation emission from electron beams is reviewed with special reference to work related to free-electron lasers. Different schemes of interaction in periodic structures, electromagnetic slow-wave structures, and in transverse confining force are distinguished. Various effects and devices such as traveling wave amplifiers, Smith-Purcell radiators, Cerenkov and bremsstrahlung-free electron lasers, cyclotron resonance masers, coherent bremsstrahlung and channeling radiation are discussed and the differences and relations among them are explained. A simple comprehensive model is developed to describe electron-beam interaction with an electromagnetic wave in periodic electromagnetic structures. The model is general enough to describe both collective and single-electron modes of interaction and quantum mechanical, classical and Fermi degenerate regimes. Simplified expressions are developed for the gain by stimulated emission of radiation and for gain conditions of the Smith-Purcell-Cerenkov type free-electron lasers under conditions of very thin electron beams and infinite interaction length. This research is supported by the Air Force Office of Scientific Research under contract AFOSR-76-2933     

Millimeter-Wave HF Relativistic Electron Oscillators

A review of the experimental study of single-mode oscillators based on stimulated bremsstrahlung and Cerenkov radiation of high-current relativistic electron beams is given. Three types of Cerenkov oscillators are investigated in detail: orotrons, surface wave oscillators and a flimatron (free electron maser (FEM) based on Smith-Purcell radiation). The bremsstrahlung oscillators studied are gyrotrons with TM modes, a ubitron operating at a quasi-critical frequency and cyclotron autoresonance masers. Electrodynamic and electron methods of mode selection provide stable radiation with a reproducible space structure of radiation in all oscillators under study. The radiation power attained 50-100 MW for long and 10-30 MW for short millimeter wavelengths at the efficiency up to 5-10 percent. Various types of oscillators are compared. Promising methods for increasing power and radiation frequency are discussed.     

气体Cerenkov辐射的量子理论

本文采用量子场论的一级微扰论,建立了气体介质中Cerenkov辐射的量子理论,结果表明,它有与固体、液体Cerenkov辐射不同的特点:线状光谱且轮廓不对称和出现小的红移,辐射角与辐射频率无关,并随入射粒子速度的增大而减小,辐射对入射带电粒子的速度没有阈值限制,激发态与基态原子的Cerenkov辐射几率相等,理论结果与实验基本一致。 关键词：     

Investigation of mechanism of free electron laser through spontaneous radiation spectrum

In this paper, the mechanism of free electron laser with a guide magnetic field is investigated by analyzing spontaneous radiation spectrum of electrons. The physical relation between spontaneous radiation and stimulated radiation in FEL with a guide magnetic field is studied. It is found that this relation in FEL is similar to that in quantum lasers. The spontaneous radiation spectrum is discrete. The frequency of stimulated radiation in FEL is oneselected and amplified in the radiation spectrum.     

圆波导契伦柯夫自由电子激光流体描述

用磁流体理论研究了契伦柯夫自由电子激光的性质,导出了空心束驱动的圆柱对称波导契伦柯夫自由电子激光的色散关系,利用色散关系计算了契伦柯夫不稳定性增长率,给出了饱和功率的估计值,考虑了束与介质间间隙对契伦柯夫自由电子激光的影响,并就空心束与实心束情况进行了比较。     

Helical Cerenkov effect, a novel radiation source

The observability of the helical Cerenkov effect as a novel radiation source is discussed. Depending on the value of the index of refraction of the medium, the strength of the uniform magnetic field, and the electron beam energy, helical Cerenkov radiation can occur in the same spectral regions as the ordinary Cerenkov effect, that is, from microwave to visible wavelengths. From the kinematics point of view, I argue that for a microwave wavelength of 10^-1cm this effect should be observable in a medium with an index of refraction of 1.4, with a beam energy of 3 MeV, and a uniform magnetic field of 4 T. On the specific level, however, for the sake of simplicity, I discuss the observability of this effect for visible light with the central wavelength of 5×10^-5 cm which can be achieved with 2 MeV in beam energy, silica aerogel as a medium (with an index of refraction of 1.075), and uniform magnetic fields from 5 to 10 T. For a 10-T magnetic field, I calculate that in the visible region of 250 to 750 nm an electron will produce a photon per 10 cm of traveled length. As to the stimulated helical Cerenkov emission, I estimate that respectable gains are possible even if the beam passes close to the dielectric rather than through it. In addition to being potentially a new radiation source, the helical Cerenkov effect could possibly be used as a detector of radiation by energetic electrons that are trapped in a medium by strong magnetic fields     

基于切伦科夫辐射的核素治疗剂量测量可行性分析

针对现有核素治疗中内照射剂量测量缺乏简单、高效方法的问题,基于内照射剂量与切伦科夫辐射之间的关系,提出一种基于切伦科夫辐射的核素治疗内照射剂量测量的新方法。利用蒙特卡罗计算程序Geant4,模拟放射性核素131I在水体模型和甲状腺模型中产生切伦科夫辐射与剂量沉积的分布情况,并定量分析切伦科夫光子数与剂量之间的关系。计算结果表明:在水体模的半径方向上切伦科夫光子数与剂量之间有着相同的变化趋势,且两者有着相同的二维分布规律;核素131I在介质中产生的切伦科夫光子数与剂量两者之间存在一定的线性关系,且这种线性关系与核素的分布情况无关。研究结果证实,将这种放射性核素在介质中产生的切伦科夫辐射应用于内照射剂量学具有非常大的研究潜力和价值。     

强流短脉冲电子束束剖面的时间分辨测量

 介绍了一套基于切伦科夫辐射的、用于强流短脉冲电子束束剖面测量的装置。装置利用扫描相机记录背面打毛的石英玻璃薄片中产生的切伦科夫光信号。使用该装置，在中国工程物理研究院流体物理研究所的2MeV注入器上进行了切伦科夫光的验证实验和时间分辨的束剖面测量实验。分析表明，测量系统的时间分辨率和空间分辨率分别为1.75ns和0.74mm。