Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование динамики электронных пучков и их электромагнитного излучения в основанных на лазерах на свободных электронах и накопительных кольцах источниках света

Номер контракта: 14.587.21.0001

Руководитель: Кашкаров Павел Константинович

Должность руководителя: Заместитель директора - главный учёный секртерать

Докладчик: Смоляков Николай Васильевич, Старший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ондулятор, ондуляторное излучение, электромагнитное излучение, спонтанное излучение, лазеры на свободных электронах, накопительное кольцо, волновой фронт, динамика электронного пучка, фокусировка пучка

Цель проекта:
1) Реализуемый проект направлен на решение проблем численного моделирования спонтанного электромагнитного излучения, генерируемого релятивистским пучком электронов во внешних неоднородных магнитных полях, таких как ондуляторы, вигглеры, краевые поля поворотных магнитов кольцевых ускорителей, с учетом реальных условий эксперимента. Совместно с германской стороной также будет разработан комплекс компьютерных программ для теоретического изучения динамики электронного пучка в линейных ускорителях и электронных накопительных кольцах. 2) Цель реализуемого проекта — создание двух комплексов компьютерных программ. Первый, с рабочим названием “SPONTRAD”, предназначен для численного исследования и моделирования процессов генерации электромагнитного излучения, генерируемого электронным пучком с высокой энергией во внешних магнитных полях. Комплекс программ должен учитывать реальные условия генерации излучения: конечность расстояния от области генерации до точки наблюдения, пространственный, угловой и энергетический разброс электронов в пучке, возможность рассчитывать излучение в экспериментально измеренном магнитном поле. Для этого необходимо, исходя из общих принципов, провести детальный теоретический анализ аналитических формул, выработать оптимальные алгоритмы расчетов различных характеристик излучения, написать соответствующие элементы компьютерных программ. Второй комплекс компьютерных программ, разрабатываемый немецким соисполнителем (European XFEL, Hamburg) при нашем участии, предназначен для численных исследований динамики электронного пучка в линейных ускорителях, а также в кольцевых электронных накопителях. При этом эти программы должны позволять моделировать эффекты пространственного заряда в электронном пучке. Динамика пучка электронов должна рассчитываться с учетом транспортной карты любого порядка, а также следовых полей в вакуумной камере ускорителя.

Основные планируемые результаты проекта:
1) В результате выполнения работ по ПНИ будут написаны два комплекса компьютерных программ. Первый комплекс компьютерных программ, с рабочим названием “SPONTRAD” (SPONTaneous RADiation), разрабатывается для расчетов различных характеристик электромагнитного излучения, генерируемого релятивистским пучком во внешнем стационарном магнитном поле произвольной формы. Этот комплекс программ будет включать в себя подпрограммы, рассчитывающие траектории электронов в заданном внешнем трехмерном магнитном поле. Оно может быть задано в виде файла с массивом экспериментально измеренных вдоль оси магнитной системы значений величин магнитного поля. Магнитное поле ондулятора (вигглера) может быть также модельным, имеющим идеальное синусоидальное распределение на его оси. В этом случае расчет траекторий должен включать в себя эффекты фокусировки магнитного поля ондулятора. В этот комплекс должна входить подпрограмма, рассчитывающая распределения полной мощности излучения из протяженной магнитной системы. Этот комплекс программ должен учитывать реальные условия генерации излучения: конечность расстояния от области генерации до точки наблюдения, пространственный, угловой и энергетический разброс электронов в пучке, возможность рассчитывать излучение в экспериментально измеренном магнитном поле. При этом спектральные характеристики распределения излучения должны будут рассчитываться в рамках подходов time-domain и frequency-domain. Для этого необходимо, исходя из общих принципов, провести детальный теоретический анализ аналитических формул, выработать оптимальные алгоритмы расчетов различных характеристик излучения, написать соответствующие элементы компьютерных программ. В последние годы большое внимание уделяется теоретическим исследованиям волновых свойств электромагнитного излучения, генерируемого релятивистским пучком в магнитных полях, как то: синхротронное излучение, генерируемое в однородном поле поворотного магнита, ондуляторное излучение, генерируемое в синусоидальном магнитном поле. В рамках исполнения данного соглашения будут получены аналитические выражения для распределения фаз электромагнитного излучения и будут написаны соответствующие элементы компьютерных программ для численного расчета этих распределений.
Второй комплекс компьютерных программ, “OCELOT”, предназначен для расчета динамики пучка электронов в линейных ускорителях и электронных накопительных кольцах. Программы должны позволять рассчитывать динамику пучка электронов с использованием транспортной карты любого порядка. Должны учитываться влияние эффектов пространственного заряда в электронном пучке, а также влияние следовых полей в вакуумной камере ускорителя на динамику пуска электронов. Программа должна учитывать влияние эффектов когерентного синхротронного излучения на динамику пучка электронов в рамках одномерной модели. Должны быть также разработаны алгоритмы расчетов генерации в лазерах на свободных электронах по методу self-seeding и pSASE, и они должны быть программно реализованы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результаты, полученные при выполнении данного проекта, найдут самое широкое применение на любой установке, где используется высокоэнергичный пучок электронов, движущийся во внешнем магнитном поле, а также электромагнитное излучение, генерируемое высокоэнергичный пучок электронов во внешнем произвольном магнитном поле. К таким установкам, в частности, относятся накопительные кольца, синхротроны, лазеры на свободных электронах. Также создаваемые компьютерные программы могут быть использованы организациями, занимающимися теоретическими исследованиями динамики и электромагнитного излучения электронного пучка в ускорителях, накопителях, лазерах на свободных электронах, а также в организациях, занимающихся разработкой и конструированием таких установок. Одновременно с этим появляется возможность создания элементов оптики нового поколения, ранее не использовавшихся в синхротронных центрах и рентгеновских лабораториях. Практическое использование таких элементов позволит значительно улучшить параметры станций, использующих синхротронное, ондуляторное и краевое излучение.
Компьютерные программы могут быть использованы для моделирования различных процессов, происходящих с высокоэнергичным пучком электронов в магнитных полях ускорителей и лазеров на свободных электронах, а также расчетов характеристик электромагнитного излучения таким пучком. Также эти программы могут быть использованы непосредственно для управления элементами таких установок в процессе их функционирования.
Написание комплексов данных программ делается, с одной стороны, на основе изучения других аналогичных компьютерных программ. Таковыми, в частности, являются программы для расчета характеристик электромагнитного излучения SRW, Spectra, B2E. С другой стороны, при написании данных программ реализуются наши последние научные разработки, которые позволяют надеяться, что по ряду характеристик (скорость счета, точность вычислений, наличие дополнительных возможностей) создаваемые нами программы будут превосходить существующие в настоящее время аналогичные программы.
Написание компьютерных программ во многом опирается на наши теоретические работы, направленные на более глубокое понимание физики процессов генерации электромагнитного излучения, повышение точности расчетов. С другой стороны, большой объем аналитических вычислений, проделанных в процессе научной работы и реализованных в программе, по нашему опыту существенно повышает скорость работы программы, поскольку много вычислительной работы уже проделано за компьютер.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Результаты научной деятельности, полученные в рамках выполнения данного соглашения — комплекс компьютерных программ и его отдельные элементы — могут применяться в научной и конструкторской областях, где разрабатываются или используются источники электромагнитного излучения, генерируемого релятивистским пучком электронов во внешних магнитных полях: лазеры на свободных электронах, накопители электронов, источники синхротронного излучения.
2) Использование разрабатываемого в рамках данного соглашения комплекса компьютерных программ и их элементов позволит улучшить характеристики создаваемых источников электромагнитного излучения, основанных на принципе генерации излучения релятивистским пучком электронов во внешних магнитных полях. Его применение для анализа экспериментально измеренных распределений электромагнитного излучения из вигглера или ондулятора в процессе их работы позволит осуществить их более тонкую настройку. Также этот комплекс программ может существенно помочь при разработках каналов электромагнитного излучения на ускорителях. В частности, этот комплекс компьютерных программ предполагается использовать на сооружаемой в настоящее время мегаустановке European XFEL (Гамбург, Германия), а также при разработке каналов электромагнитного излучения на накопителе электронов Сибирь-2 — в частности, каналов краевого излучения. Экономический эффект обусловлен тем, что установки, основанные на использовании релятивистского пучка электронов и электромагнитного излучения от него (синхротроны, накопительные кольца, лазеры на свободных электронах), сами по себе уникальны, очень дороги и рассчитаны на функционирование в течение нескольких десятков лет. Поэтому даже незначительное улучшение их параметров, в частности улучшение качества пучка электромагнитного излучения, в перспективе приводит к значительной экономической выгоде.
3) В настоящее время электромагнитное излучение, генерируемое релятивистским пучком электронов во внешних магнитных полях, широко используется как в научных исследованиях, так и в технологических процессах, в частности в нанотехнологиях. Поэтому улучшение параметров пучка излучения является одной из основных компонент развития технологий в данной области науки и техники. Улучшение характеристик пучков электромагнитного излучения позволит получать более детальную информацию о структуре исследуемых объектов, что в свою очередь может привести к появлению новой высокотехнологической продукции. В технологическом отношении улучшение параметров пучков излучения позволит соответственно улучшит параметры выпускаемой продукции.
4) Данный проект является международным, выполняемым совместно European XFEL (Гамбург, Германия) и московским физико — техническим институтом (МФТИ, Москва, Россия). Разрабатываемый комплекс компьютерных программ, будучи универсальным, но все же будет более специализирован под расчеты для таких мегаустановок, как лазера на свободных электронах в European XFEL и Курчатовский источник синхротронного излучения (Москва, Россия). В последующем созданный комплекс компьютерных программ будет использован для анализа характеристик спонтанного излучения из длинных цепочек ондуляторов в лазере на свободных электронах European XFEL (Гамбург, Германия), а также при разработке канала краевого излучения на накопителе электронов Сибирь-2 (Москва). Поэтому совместная работа над данным проектом своим результатом будет иметь также и значительное расширение международного научного сотрудничества.

Текущие результаты проекта:
Сделан обзор современной научно-технической литературы по методам расчета динамики пучка электронов в кольцевых накопителях электронов и по методам расчета спонтанного электромагнитного излучения релятивистских электронов в неоднородных магнитных полях.
Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике. Сделан выбор и проведено обоснование методов и средства, направления исследований и способов решения поставленных задач.
Разработано технического задания на комплекс компьютерных программ с рабочим названием SPONTRAD.
Разработаны алгоритмы и написаны элементы комплекса компьютерных программ SPONTRAD для расчета траекторий электрона в аналитически заданном 3-мерном магнитном поле с учетом его фокусирующих свойств.
Разработаны алгоритмы и написаны элементы комплекса компьютерных программ SPONTRAD для расчета траекторий электрона в магнитном поле, заданном в виде файла с экспериментально измеренными данными.
Разработаны алгоритмы и написаны элементы комплекса компьютерных программ SPONTRAD для расчета влияния эффектов конечного эмиттанса пучка электронов на спектрально-угловые характеристики .