Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0001
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Название доклада
Исследование динамики электронных пучков и их электромагнитного излучения в основанных на лазерах на свободных электронах и накопительных кольцах источниках света
Докладчик
Смоляков Николай Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является написание комплекса компьютерных программ, позволяющих корректно рассчитывать влияние различных физических эффектов и реальных параметров как магнитной системы, так и всей установки в целом, на спектральные и энергетические характеристики спонтанного электромагнитного излучения, генерируемого релятивистским пучком электронов во внешнем магнитном поле. В рамках данного проекта осуществляется 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. 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.
Создаваемые в настоящее время мегаустановки, как например European XFEL в Гамбурге (Германия) требует разработки соответствующего программного обеспечения, которое позволило бы с высокой точностью промоделировать физические процессы, проходящие в таких установках. На накопителе электронов Сибирь-2 стоит задача улучшения параметров электронного пучка, что приведет к повышению качества генерируемого электромагнитного излучения.
Актуальность и новизна исследования
Получение когерентного рентгеновского излучения в лазере на свободных электронах, а также создание других таких мегаустановок, как например European XFEL в Гамбурге (Германия) требует разработки соответствующего программного обеспечения, которое позволило бы с требуемой точностью промоделировать физические процессы, проходящие в таких установках. При этом существенно возрастает сложность таких установок. Так, в European XFEL в Гамбурге (Германия) в каждом из каналов SASE1 и SASE2 будет последовательно установлено по 35 ондуляторов с полной длиной каждого ондулятора 5 метров и длиной периода ондулятора 40 миллиметров. Канал SASE3 будет состоять из 21 ондулятора. Для того чтобы удерживать пучок в малых размерах, между ондуляторами будут установлены квадрупольные магнитные линзы. Все это в совокупности делает расчет рентгеновского излучения в такой магнитной системе в высшей степени затруднительным. С другой стороны, требования к точности изготовления оборудования, а также и расчетов процессов, при этом увеличиваются на порядки.В то же время на накопительном кольце Сибирь-2 (Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва) планируется создание канала на основе краевого излучения в инфракрасном – ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Детальные расчеты физических процессов в таких установках требуют применения специализированных компьютерных программ. В ряде случаев соответствующее программное обеспечение отсутствует, и требуется написать его самим.
Научная новизна выполняемой работы заключается в том, что разрабатываемые нами элементы программ используют наши последние теоретические исследования, как опубликованные, так и предполагаемые к публикации.
Описание исследования

Работы проводились в двух направлениях. Первое направление - это теоретические исследования, вывод формул и разработка эффективных алгоритмов для расчета спектров излучения в произвольных магнитных полях в рамках подходов time-domain и frequency-domain. Второе - разработка программных компонентов для расчета влияния энергетического разброса электронов в пучке на спектр спонтанного излучения, а также разработка программных компонентов для расчета распределения полной мощности излучения из реальной магнитной системы.

Для расчетов характеристик краевого излучения наиболее оптимальным представляется компьютерная программа, использующая подход frequency-domain. Вместе с тем в понимании физики формирования краевого излучения до сих пор есть неясные моменты. Так, есть основания полагать, что в ряде первых публикаций по теории краевого излучения сделаны совершенно неправильные утверждения. Для детального исследования этих неясных мест требуется шаг за шагом проанализировать весь процесс формирования краевого излучения. К сожалению, компьютерная программа, написанная в рамках frequency-domain, не позволит провести такой анализ, поскольку некоторые этапы ее работы используют ненаблюдаемые переменные. Это позволяет упростить вычисления, но прячет физику процесса формирования электромагнитного излучения. Поэтому для прояснения таких спорных моментов необходимо также написать компьютерную программу в рамках подхода time-domain. Собственно говоря, эти оба подхода отличаются только теоретически, на промежуточных этапах в них в процессе интегрирования используются разные переменные.

     На данном этапе выполнения соглашения разрабатывалась компьютерная программа для расчетов пространственных распределений мощности электромагнитного излучения, исходя из основополагающих принципов классической электродинамики, то есть исходя из уравнений Максвелла. При этом использовались точные выражения для пространственного распределения мощности электромагнитной энергии, генерируемой электронным пучком. При этом в данной программе использовались уже готовые, написанные на втором этапе выполнения, элементы программы для расчетов траекторий в произвольных внешних магнитных полях. Программа написана удобно для пользователя. Она позволяет рассчитывать распределения мощности излучения как в случае, когда область наблюдения излучения расположена бесконечно далеко от области формирования излучения, так и в случае конечного расстояния от области формирования излучения до области наблюдения. В первом случае расположение точки наблюдения на экране определяется горизонтальным и вертикальным углами, во втором случае – линейными координатами. Магнитное поле вставного устройства также может быть задано разными способами. Так, магнитное поле может быть как плоским (только вертикальная компонента поля), так и эллиптического вида (вертикальная и горизонтальная компоненты поля). В случае строго периодического магнитного поля нет необходимости задавать карту магнитного поля всего ондулятора (вигглера), достаточно задать карту поля только для одного периода и указать число таких периодов.

Результаты исследования

    Разработаны алгоритмы  и написаны программы для расчетов спектральных характеристик излучения в произвольных магнитных полях в рамках подходов time-domain и frequency-domain.

   Разработаны программные компоненты для расчетов влияния энергетического разброса электронов в пучке на спектр спонтанного излучения.

    Разработаны программные компоненты для расчетов распределения полной мощности излучения из реальной магнитной системы.

    Проведен теоретический анализ и разработаны алгоритмы компьютерных программ для расчетов начальных распределений фаз краевого излучения и ондуляторного излучения.

    Проведен теоретический анализ и разработаны алгоритмы для компьютерных программ для расчетов влияния когерентного синхротронного излучения в накопительном кольце на работу с короткими сгустками.

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.

 

Практическая значимость исследования
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. 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.