Генерация Мягкого Рентгеновского Излучения В Компактном Лазере На Свободных Электронах С Умножением Гармоник

Abstract

Single-pass free-electron lasers (FELs) with harmonic multiplication in the X-ray range are studied theoretically with the objective of producing intense radiation with the minimum possible FEL length, beam energy, and seed laser frequency. A cascade FEL with a two-frequency undulator for electron bunching at wavelengths of higher harmonics is proposed. The dynamics of radiation power in a FEL with harmonic multiplication cascades is investigated based on a well-proven phenomenological FEL model that covers all major losses for each harmonic in each FEL cascade. The effect of the beam quality on X-ray generation in a FEL is examined. It is demonstrated that electron beams with energy spread σ_ e ≤ 0.0002 are required for efficient use of harmonics in a cascade X-ray FEL. The evolution of power of harmonics in several cascade FELs at wavelengths of ~2–3 nm with multiplication of seed harmonics at a wavelength of 13.51 nm (Mo/Si reflection peak) and 11.43 nm (MoRu/Be reflection peak) is studied. It is demonstrated that the power increases to ~1 GW at a FEL length up to 40 m. In addition, the operation of multicascade FELs with a seed F _2 excimer 157-nm UV laser and harmonics of lasers with CO_2 and C_2H_2 at 30 nm with a beam of electrons with an energy of ~0.6 GeV and a current of ~1 kА is studied. The power of the modeled X-ray radiation of these FELs at λ = 2.5 and 3.3 nm increases to ~0.5 GW at ~30 m.

Генерация Гармоник В Экспериментах С Лазерами На Свободных Электронах В Рентгеновском Диапазоне --- Теоретический Анализ

“…Ввиду сложности решения всего комплекса уравнений, описывающих движение электронов и их взаимодействие с излучением в ЛСЭ, моделирование ЛСЭ обычно проводится численно с применением специальных программ подготовленным персоналом. Нами разработан универсальный аналитический формализм [5][6][7][8][9][10][11][12][13], использующий обобщенные функции типа Бесселя и Эйри в сочетании с аналитической моделью однопроходного ЛСЭ, которая феноменологически учитывает все основные потери в реальных установках. Это позволяет изучить и проанализировать генерацию гармоник практически в любом ЛСЭ на обычном персональном компьютере без применения численных программ.…”

“…Ниже мы приведем аналитические формулы, позволяющие точно описать и исследовать влияние гармоник поля на излучение в эллиптических и плоских ондуляторах с гармониками поля произвольной амплитуды. Используя их в аналитической модели однопроходного ЛСЭ (см., например, [9][10][11][12][13][14]), мы исследуем спектральные характеристики некоторых основных ЛСЭ экспериментов в рентгеновском диапазоне: SACLA, LCLS, PAL-XFEL, SwissFEL, и сравним результаты для мощностей гармоник, их эволюции по длине ондуляторов и ширины спектральных линий с имеющимися экспериментальными данными.…”