反比相关的双曲余弦平方势与相对论电子面沟道辐射的经典描述

在经典力学框架内,描述了带电粒子自发辐射谱分布与最大辐射频率;引入反比相关的双曲余弦平方势,讨论了超相对论电子的面沟道辐射,导出了电子能量E=5.0GeV时,一次谐波的最大辐射能量ε=57MeV,与其他工作比较基本一致.沟道辐射与自由电子激光十分类似,它的方向性极好,大都集中在粒子运动方向、角宽Δθ≈γ^-1/2范围内;且能量高、连续可调,偏振度也很好.指出了利用超晶格沟道辐射与超晶格的多层薄膜结构相互作用,可望把自发的沟道辐射改造为相干辐射,从而得到X激光或γ激光.     

正电子面沟道辐射的非线性特征

经典物理学指出,在电磁场中作加速运动的带电粒子将不断向外辐射能量.在晶体沟道中运动的带电粒子也不例外,晶格场可以使带电粒子的辐射能量达到很高.对于10MeV的正电子,辐射能量可达keV量级.粒子在沟道中的运动行为决定于粒子晶体的相互作用势,常用的相互作用势有Lindhard势、Moliere势和正弦平方势.由于粒子在沟道中的运动行为十分类似于震荡器中运动的自由电子,可望把沟道辐射改造为Χ射线激光或γ射线激光.从Lindhard势出发,将其展开到四次项,在经典力学框架内,粒子的运动方程可以化为含立方项的二阶非线性微分方程,并利用Jacobian椭圆函数和第一类全椭圆积分解析地表示了系统的解和粒子运动周期,导出了正电子面沟道辐射的瞬时辐射强度、平均辐射强度和最大辐射频率,指出了利用沟道辐射作为γ激光的可能性.     

掺杂超晶格量子阱的沟道效应与沟道辐射

 分析了超晶格量子阱的沟道效应和沟道辐射,利用正弦平方势描述了掺杂超晶格量子阱沟道粒子的运动行为,并在经典力学框架内,把粒子的运动方程化为摆方程。用Jacobian椭圆函数和椭圆积分解析地给出了系统的解和粒子运动周期,导出了量子阱沟道辐射的辐射强度和辐射能量。结果表明,对于能量为100 MeV左右的电子,辐射能量可达keV量级（X能区）。指出了用量子阱沟道辐射作为X激光或γ激光的可能性。     

相对论性电子在行波磁场中的自发辐射

相对论性电子在周期性磁场中的运动将产生自发辐射,这是产生自由电子激光的基础。本采用行波磁场作为周期性磁场,通过讨论可以看出,当电子通过这种磁场时将产生自发辐射,说明该磁场能作为自由电子激光器的摆动器。     

自由电子激光

自由电子受激发射的原理早在1951年莫茨(Motz)[1]就提出过,他认为电子行经电场或磁场时产生辐射,辐射的频率取决于电子的速率.电子能量从1MeV到1GeV的范围可产生从微波至硬 X 射线的频谱.他认为将电子束聚焦,可以使一群电子相干地辐射。相干辐射的功率比非相干辐射高约106的量级.这个设想在1953年虽然进行过实验,但未获成功.直到六十年代后期与七十年代初期,由于相对论强流电子束与高能电子加速器装置的发展,对自由电子受激发射开展了大量的实验与理论研究.典型的报导文章有[2-7].自由电子微波激射的实验成就推动着自由电子激光的发展.本…     

无引导磁场Raman自由电子激光实验的理论分析

本文分析Raman自由电子激光中常用的双绕螺旋线摇摆器的自聚焦过程和自聚焦能力,得出束流稳定传输的条件,并与无引导磁场Raman自由电子激光实验中测得的传输束流进行分析比较。文中还对在电子脉冲线加速器EPA-74上完成的无引导磁场自由电子激光实验的辐射输出进行分析。理论分析与实验结果相符合。 关键词：     

利用虚光子理论对轴沟道辐射的分析

 考虑电子的反冲的影响,利用虚光子与相对论电子的康普顿散射理论对轴沟道辐射进行了研究。在与电子纵向运动静止的坐标系中,把晶格场等效为虚光子。当虚光子与作沟道运动的电子发生康普顿散射时,虚光子就会转化为实光子辐射出去。根据该理论,得到了含有康普顿波长项的轴沟道辐射的精确波长表达式,其近似式就是经典理论推导的公式;同时得到了单电子轴沟道辐射的光子产额和辐射功率的公式,结果也与经典理论公式一致。     

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

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     

自由电子激光的单粒子理论及其应用

本文建立了圆极化摇摆场自由电子激光的单粒子理论,导出了电子未扰轨道及其稳定性判据和自由电子激光单程增益的表达式。单程增益由三项构成,其中第一项即自由电子激光不稳定性的增益与动力学理论得到的指数增益相符。第二项和和三项表明存在一对新的不稳定性——正不稳定性和负不稳定性。该理论没有对电子未扰轨道纵向速度作任何假设,不仅可以更合理地用于常规自由电子激光的研究,而且可以用于短周期摇摆器弱相对论自由电子激光研究。后者由于电子未扰轨道纵向速度比较低,已有的单粒子理论中所作的电子纵向速度约等于光速的假设不再成立。借助数值分析,我们发现:(1)稳定轨道Ⅱ的弱导引场区域也出现了动力学理论描述过的与自由电子激光互作用机理相悖的现象。(2)正不稳定性和负不稳定性在稳定轨道Ⅰ的导引磁场临界值附近可能严重影响自由电子激光的工作。(3)可以使用较弱的短周期摇摆场和较强的导引场产生高频率高增益相干受激辐射。     

反向导引磁场自由电子激光中平衡态电子相轨道

考虑电子束自身场情况下，给出了反向导引磁场自由电子激光中平衡态电子运动的一种正则描述。证明了在可积极限下，不动点附近相轨道的稳定性；并采用美国麻省理工学院的反向导引场自由电子激光实验参数，计算了不同束流强度下的Ｐｏｉｎｃａｒé截面。结果表明，即使自身场相当强（束流强度达到６０００Ａ），平衡态电子的相轨道仍保持其规则性，相空间没有出现混沌，这说明在自由电子激光器中，利用反向导引磁场可以获得比传统的采用正向导引磁场更好的电子束质量，从而改善器件的输出性能。 关键词：     

自由电子激光的不稳振荡理论

自由电子激光最初是一种量子理论,后来F.A.Hopf等证明可用经典理论加以描述。本文将从解Vlasov-Maxwell方程的不稳振荡出发来讨论自由电子激光,所得结果不仅可用于相对论电子来通过横向周期磁场产生激光,而且也适用于光波或微波与相对论电子束相互作用产生激光。比较了各种方案,对电子束单色性要求是高的,接着又讨论了电子回旋激射器的不稳振荡,求得波纹回旋激射器问题的解.     

强激光等离子体中自由电子的经典行为

通过严格求解广义协变的电子运动方程,讨论了强激光等离子体中自由电子的经典行为.利用数值模拟,得到了自洽激光等离子体电磁场中自由电子运动的轨迹,并与平面波电磁场中自由电子的运动进行了比级. 关键词：     

电子与电子相互作用辐射

波长比厘米波更长的相干电磁辐射通常都从自由电于的动能转变而来,但是,为了将自由电子的能量转变为更短的电磁波却长期未能成功。近年来,以自由电子通过交变磁场获得的磁阻尼辐射——所谓自由电子激光,引起人们广泛注意。看来它是获得毫米波以至近红外波段的可行技术,但是,用能量不太高的电子(例如MeV以下)产生光频或X光波段的辐射,还缺乏可行的途径。本文建议用电子束“对撞”的方式,由电子与电子相互作用来解     

自由电子激光理论的经典近似

根据单粒子模型阐述了自由电子激光放大器的工作原理.讨论电子在周期性静磁场中与辐射场的作用,给出较清晰的物理图象.     

短波长自由电子激光器电子运动特性研究

短波长自由电子激光器的电子束在摇摆器中的传输通道长而狭窄, 须得电子具有良好的运动特性, 避免在传输过程中产生横向发散. 本文研究短波长自由电子激光器中超相对论电子在磁场具有横向分布的平面摇摆器中的三维运动特性, 用逐次逼近法推导相对论运动方程的解析表达式, 非线性数值计算模拟传输过程, 采用科尔莫 戈罗夫熵 方法分析运动的稳定性. 结果表明: 摇摆器磁场除使电子做周期性摇摆运动外, 还迭加了偏离轴线的横向漂移运动, 在没有外置的磁场聚焦系统情况下, 电子将偏离轴线横向发散; 但是, 恰当选取电子的横向初始速度, 可有效地防止电子运动的横向发散, 即使没有外置的磁场聚焦系统, 也能在长达10 m 的摇摆器中顺利传输, 横向位移范围不超过0.09 mm, 而且其运动是稳定的. 关键词： 短波长自由电子激光器 平面摇摆器 超相对论电子运动 运动稳定性     

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。     

圆柱开槽波导FEM放大器数值研究

以圆柱开槽波导、螺旋摇摆器为模型,考虑了电子初始速度零散、引导磁场等效应对放大器饱和特性的影响,导出了自洽的注波互作用三维非线性方程组.并在此基础上编制了相应的计算软件,通过数值分析的方法研究了圆柱开槽波导自由电子激光放大器的饱和效率、频带宽度等高频特性.     

带轴向引导磁场自由电子激光器中的电子轨迹与稳定性

在对中国工程物理研究院电子学研究所和中国科学院上海光学精密机械研究所所做带引导磁场喇曼型自由电子激光实验进行数值模拟的基础上,本文研究了轴向引导磁场和摇摆磁场联合作用的单电子轨迹,对电子的平衡轨道和一阶微扰轨道进行了仔细分析,揭示了在引导磁场存在的情况下,摇摆磁场横向变化引起的电子感应回旋运动的重要性,推导了带引导磁场情况下的电子感应回旋运动方程,给出了电子感应回旋运动的周期,X方向、Y方向之间的关系。同时,用数值模拟方法研究了电子的运动,两者结果符合很好。 关键词：     

自由电子激光放大器的小信号理论

本文根据单粒子模型阐述了自由电子激光放大器的工作原理,通过将电子运动方程线性化导出了小信号增益。结果表明,当电子束有合适的初速分布,周期静磁场和入射电磁波有确定的相位关系,并且满足电子与波的同步条件和电子回旋谐振条件时,电子能持续地和最有效地将能量交给入射电磁波,从而实现激光放大。     

高增益自由电子激光饱和态分析的三维统计理论

考虑电子束横向发射度和电子β振荡,将2005年国际上提出的单通过高增益自由电子激光饱和状态分析的统计物理方法发展到三维情形。首先建立一种描述电子三维运动的归一化简化模型,推导了一维光场下包含电子横向运动的Vlasov方程。在螺旋型波荡器情形下通过引入横向运动守恒量发展了三维统计物理分析方法,并编写了相应计算程序,计算自由电子激光达到饱和时系统的光强增益、聚束因子。作为对比验证,编写包含N个电子自由电子激光系统的三维直接数值模拟程序,结果表明数值模拟和统计计算结果相一致。对比文献中一维模拟和一维统计理论计算结果,所得结果反映了电子束横向发射度以及电子在波荡器中的横向β振荡对饱和点参数的影响。