اصل عملیاتی

همانطور که از نام آن پیداست ، الکترونهای "رایگان" بر خلاف لیزرهای معمولی که در آن الکترونها به شدت به اتم یا مولکول هایی که در گاز ، مایع یا متراکم هستند ، نقش اساسی دارند ، نقش مهمی ایفا می کنند. فاز.

فقط به این معنا ، الکترونها در یک FEL رایگان هستند ، برای یک ماده اصلی دیگر یک ساختار میدان مغناطیسی متغیر ، Undulator ، که باعث ایجاد انحراف دوره ای مسیر پرتو الکترون ها می شود. بسته به چگالی فعلی و انرژی پرتو ، FEL در یکی از سه رژیم فعالیت می کند:

• رژیم رامان که در آن تعامل کولوم بین الکترون ها مهم است ، یعنی در انرژی کم و چگالی جریان بالا ،
• رژیم کم کم کامپتون ،
• رژیم جمعی بالا

رژیم رامان برای دستگاه هایی که مایکروویو تولید می کنند معمولی است ، در حالی که FEL هایی با هدف رژیم ماوراء بنفش فوق العاده یا اشعه ایکس ، جایی که آینه هایی با بازتاب بالا وجود ندارند ، لزوماً باید در رژیم جمعی با افزایش بالا کار کنند.

بیشتر FEL ها ، از جمله فلیکس ، در رژیم کامپتون فعالیت می کنند.

یک طرح عمومی از Compton fels

یک پرتوی نسبیتی از الکترونها ، که توسط یک شتاب دهنده تولید می شود ، به یک تشدید کننده ، متشکل از دو آینه با بازتاب بالا ، در اطراف محاصره تزریق می شود. میدان مغناطیسی Undulator عمود بر جهت پرتو الکترون است و به طور دوره ای قطبیت A (زیاد) بار را در طول طول آن تغییر می دهد. این امر باعث می شود که در حین عبور از undulation ، یک انحراف دوره ای از الکترون ها ایجاد شود.

حرکت عرضی کاملاً مشابه حرکت نوسان الکترون ها در یک آنتن دو قطبی ثابت است و از این رو منجر به انتشار اشعه با فرکانس برابر با فرکانس نوسان می شود. حرکت کلی الکترون ها در undulator شبیه حرکت الکترون های نوسان در یک آنتن دو قطبی است که نزدیک به سرعت نور حرکت می کند. این سرعت بالا منجر به تغییر داپلر قوی می شود: فرکانس تابش ساطع شده در جهت رو به جلو توسط یک فاکتور گاما 2 ، جایی که گاما ، فاکتور لورنتز ، اندازه گیری انرژی الکترون است.[برای فلیکس این تغییر در محدوده 300 تا 15000 است. با توجه به دوره 65 میلی متر از Undulator ، این طول موج تابش را در محدوده IR به ارمغان می آورد.] این تابش ، که به عنوان انتشار خود به خود گفته می شود ، معمولاً بسیار ضعیف است. این یک نتیجه از این واقعیت است که الکترونها به طور معمول در یک بازه پخش می شوند که بسیار بزرگتر از طول موج تابش است و به همین دلیل منسجم ساطع نمی شود. اما در دورگردهای پی در پی در طنین انداز ، این تابش ضعیف توسط الکترونهای تازه تقویت می شود (مکانیسم به دست آوردن) ، تا زمانی که اشباع در سطح قدرت قرار گیرد که معمولاً 10 تا 100 میلیون برابر انتشار خود به خود است.

به جز برخی از اثرات دینامیکی مانند لغزش ، ساختار زمان تابش از پرتو الکترونی تقلید می کند.

Fels Compton موجود دامنه طول موج را از 1 میلی متر تا 0. 2 میکرون پوشش می دهد ، اما تأکید بر (F) IR است که در آن لیزرهای معمولی نادر هستند. برای یک لیست کاملاً کامل از فلورهای موجود و برنامه ریزی شده ، کتابخانه مجازی وب در سراسر جهان را مشاهده کنید: لیزر رایگان الکترونی

ذرات نسبیتی

گفته می شود که اگر سرعت آن نزدیک به سرعت نور باشد (300000 کیلومتر در ثانیه) یک ذرات نسبی گرایانه است. این سرعت نور یک حد سخت است: ذرات با جرم استراحت ، مانند الکترون ، فقط می توانند به این مقدار نزدیک شوند ، در حالی که ذرات بدون جرم استراحت ، مانند فوتون ، "ذرات نور" ، همیشه با این سرعت حرکت می کنند. اگر یک ذره نسبیت گرا انرژی بیشتری کسب کند ، سرعت آن به سختی افزایش می یابد اما جرم مؤثر آن مطابق با فرمول معروف Einsteins: E = M C 2.

شیفت داپلر

رایج ترین تجلی اثر داپلر ، تغییر (پایین آمدن) زمین سوت یک قطار یا آژیر یک ماشین پلیس است. اصل فیزیکی در شکل ترسیم شده است: فاصله بین تاج های امواج ، خواه امواج صوتی یا امواج الکترومغناطیسی ، وقتی منبع در همان جهت موج حرکت می کند از آنچه در حالت استراحت است ، کوچکتر است و بزرگتر است. هنگامی که منبع در جهت مخالف حرکت می کند.

از آنجا که فاصله بین تاج ها ، سطح امواج صوتی یا رنگ امواج الکترومغناطیسی را که توسط یک ناظر تجربه می شود ، تعیین می کند ، زمین بالاتر خواهد بود و با نزدیک شدن منبع به ناظر ، رنگ به رنگ آبی منتقل می شود. برای امواج صوتی ، منبع می تواند سریعتر از امواج حرکت کند ، در این صورت هیچ صدایی در جهت رو به جلو وجود نخواهد داشت و موج شوک وجود خواهد داشت. این امر باعث آزار و اذیت می شود که یک هواپیما با سرعت بیش از Mach 1 پرواز می کند 1. برای امواج الکترومغناطیسی ، انرژی فوتون ها به رنگ بستگی دارد: فوتون های آبی از فوتونهای قرمز پر انرژی تر هستند. بنابراین در نتیجه تغییر داپلر ، انرژی تابش ساطع شده توسط ذرات نسبی گرایانه در یک مخروط باریک در اطراف جهت رو به جلو متمرکز می شود ، که بعضاً به عنوان اثر "چراغ سر" گفته می شود.

فاکتور لورنتز

این عامل ، که معمولاً به عنوان گاما مشخص می شود ، در تئوری نسبیت یک مقدار بسیار مناسب است. این انرژی کل یک ذره (انرژی جرم و سینتیک + استراحت) را در واحدهای انرژی جرم استراحت خود اندازه گیری می کند. از آنجا که انرژی جرم استراحت الکترونی در حدود 0. 5 م وست است ، گاما تقریباً دو برابر انرژی الکترون در MEV است.

وضعیت تشدید

از آنجا که تابش با سرعت نور حرکت می کند در حالی که الکترون ها هرگز نمی توانند به طور کامل به آن برسند ، تابش با توجه به الکترون به جلو حرکت می کند. گفته می شود که اگر تابش توسط یک عدد صحیح (= تعداد هارمونیک) طول موج تابش نسبت به الکترون ، برای هر نوسانات الکترون در میدان undulator ، تابش با الکترونی در برابر رزونانس باشد. این همچنین تابشی است که الکترون به طور خودجوش ساطع می کند. این شرایط به طور مستقیم فرمول داده شده برای انتشار خود به خود را ارائه می دهد.

انتشار خود به خودی

با فرض G ، فاکتور لورنتز ، بزرگ ، طول موج انتشار خود به خود ، لامبدا_sاز رابطه زیر بدست می آید:

جایی که لامبدا_u is the period of the magnetic field of the undulator, n the harmonic number and K a measure of the strength of the magnetic field. The factor K, which is usually close to 1, accounts for the reduction of the effective forward velocity of the electrons, and hence the Doppler shift , caused by the induced transverse motion. The intensity of the harmonics (n>1) با مقدار K افزایش می یابد. به دلایل تقارن ، هارمونیک ها به طور کلی بسیار ضعیف تر از هارمونیک های عجیب و غریب هستند.

مدت زمان پالس تابش برابر است با زمانی که الکترون طول می کشد تا از موج شکن عبور کند و تعداد چرخه های پالس برابر با تعداد دوره ها، N است._u، از موج ساز. یک قضیه اساسی بیان می کند که حاصل ضرب مدت یک پالس و پهنای باند طیفی آن دارای حداقل مقدار است، که از آن نتیجه می شود که گسیل خود به خودی دارای پهنای باند محدودی است (شکل برای نمایه طیفی در پایه، n=1 را ببینید).

در عمل، پهنای طیفی در نتیجه گسترش انرژی و زاویه ای پرتو الکترونی، اندازه پرتو عرضی محدود و نقص در میدان مغناطیسی موج ساز تا حدودی بزرگتر خواهد بود. این محدودیت ها با افزایش عدد هارمونیک شدیدتر می شوند. بنابراین، بیشتر FEL ها در حالت بنیادی عمل می کنند، اما گاهی اوقات لیزر در هارمونیک سوم برای گسترش دامنه تنظیم به طول موج های کوتاه تر استفاده می شود.

مکانیسم افزایش

ابتدا یک الکترون را در نظر بگیرید که در حضور تابشی که شرایط تشدید را برآورده می کند (مثلاً تابش خود به خودی که از الکترون های مشابه ساطع می شود) از طریق موج گیر حرکت می کند. جریان عرضی مرتبط با حرکت عرضی الکترون های باردار، با میدان الکتریکی عرضی تابش جفت می شود و باعث می شود که یک شبکه (به طور متوسط در یک دوره موج ساز) از انرژی جنبشی الکترون به میدان یا بالعکس منتقل شود و بنابراینکاهش سرعت یا شتاب الکترون که به فازهای نسبی جریان و میدان بستگی دارد.

به طور میانگین در تعداد زیادی الکترون که به طور یکنواخت در تمام فازها توزیع شده اند، انتقال انرژی خالص صفر است. با توجه به انتقال انرژی وابسته به فاز و مدولاسیون سرعت مرتبط، یک مدولاسیون چگالی در مقیاس طول موج ("میکرو دسته بندی") در امتداد موج ساز ایجاد می شود و انتقال انرژی خالص ممکن می شود. دقیقاً در رزونانس، تابش تولید شده توسط مدولاسیون چگالی 90 درجه خارج از فاز با تابش است که مدولاسیون را هدایت می کند، به این معنی که یک نوسانگر در این شرایط راه اندازی نمی شود. کمی خارج از رزونانس، هم دامنه و هم فاز مدولاسیون چگالی در امتداد موج دهنده تکامل می یابند و یک انتقال انرژی خالص رخ می دهد: از الکترون ها به میدان برای تابش که تا حدودی به سمت قرمز جابه جا می شود و برعکس برای تابشی که به رنگ آبی جابه جا می شود.

مخترع FEL، جان مدی، نشان داد که بهره سیگنال کوچک با مشتق نمایه طیفی گسیل خود به خودی متناسب است (شکل را برای n=1 ببینید).

از آنجا که این پروفایل نسبتاً باریک است ، به خصوص برای تعداد زیادی از دوره های Undulator ، و ثابت بودن تناسب اندک است ، یک پرتو الکترونی با کیفیت بالا (یعنی گسترش انرژی کوچک و چگالی جریان بالا) لازم است. در اشعه ماوراء بنفش شدید ، همچنین تقاضای اندازه عرضی و واگرایی پرتو بسیار چالش برانگیز است. اما در سالهای اخیر پیشرفت فوق العاده ای در فناوری پرتو الکترونی وجود داشته است که امکان توسعه امکانات لیزر اشعه ایکس مبتنی بر FEL را فراهم کرده است.

حتی اگر مشتق اصلی قضیه مادی مبتنی بر مکانیک کوانتومی باشد ، مکانیزم FEL به راحتی می تواند به صورت کلاسیک توضیح داده شود. به همین ترتیب ، FEL بیشتر شبیه لوله های مایکروویو مانند Klystrons و Gyrotrons است تا لیزرهای معمولی. این به طور مستقیم با مقدار کوچک انرژی فوتون نسبت به پهنای باند لیزر مرتبط است ، یعنی انرژی الکترونی تقسیم شده توسط 2 N_uواددر IR ، این نسبت به طور معمول یک به یک میلیون و حتی در UV شدید هنوز فقط یک تا ده هزار نفر است.

اشباع

شرایط رزونانس به طور مستقیم با انرژی الکترون مرتبط است و بنابراین با تغییر انرژی الکترون تغییر می کند. غفلت از اثرات لغزش ، این بدان معنی است که اشباع هنگامی اتفاق می افتد که میدان آنقدر قوی شود و بنابراین از دست دادن انرژی توسط الکترون ها در امتداد سطح زیر بغل آنقدر بزرگ است ، که در انتهای محاصره اشعه ای که در ورودی Undulator تغییر یافته بود ، ظاهر می شودآبی در انتهای undulator به الکترونها منتقل می شود ، از این رو انرژی شروع به بازگشت به الکترون ها می کند. بدیهی است ، میانگین لغزش فاز در هر دوره بازدارنده که در آن اشباع در مقیاس ها به طور معکوس متناسب با تعداد دوره ها قرار می گیرد. این همچنین بدان معنی است که میزان انرژی که می تواند از الکترون استخراج شود ، مطابق با عرض منحنی افزایش ، با تعداد دوره ها متناسب است.

اثرات لغزش

همانطور که در پاراگراف مکانیسم افزایش ذکر شد ، الکترون های وارد شده به Undulator ابتدا باید با تابش در تعامل باشند تا مدولاسیون چگالی و در نتیجه افزایش داشته باشد. با شدت تابش کم ، این یک فرآیند آهسته است و الکترونها در درجه اول در انتهای undulation تابش می شوند ، جایی که با توجه به شرایط رزونانس ، الکترون ها فاصله N. N را کاهش داده اند_uوادلامبدا (با شماره هارمونیک ، n_uتعداد دوره ها و لامبدا طول موج) در پشت تابش که باعث مدولاسیون در آن موقعیت در دسته می شود. به خصوص در مورد دسته های الکترونی کوتاه (به ترتیب یا کمتر از این فاصله لغزش) ، پویایی FEL به شدت تحت تأثیر لغزش قرار دارد. یکی از جلوه های آن ، به اصطلاح "بی حالی" است: برخلاف شهود ، لیزر وقتی طول طنین انداز تقسیم بر سرعت نور دقیقاً با زمان تکرار دسته های الکترون ("شرایط هماهنگی") با لیزر راه اندازی نمی شود. در عوض ، طول تشدید کننده باید تا حدودی کوتاه تر باشد تا بتواند تغییر سانتروئید پالس تابش را جبران کند که ناشی از این واقعیت است که لبه دنباله پالس بیشتر از لبه پیشرو تقویت می شود. این توسط شکل نشان داده شده است ، نمونه ای از افزایش سیگنال کوچک اندازه گیری شده برای فلیکس به عنوان تابعی از طول حفره ، نسبت به مقدار همزمان آن.

همچنین قدرت نوری اشباع نشان داده شده است ، که این اثر بی حالی را نشان نمی دهد ، زیرا به وضوح نزدیک به مقدار همزمان قله می شود. این را می توان با درک اینکه زمان لازم برای مدولاسیون چگالی با افزایش قدرت کاهش می یابد ، درک کرد و از این رو تغییر سانتروئید کاهش می یابد. برای تنظیم طول حفره در نزدیکی اوج منحنی افزایش سیگنال کوچک ، رشد قدرت سریع خواهد بود ، اما به دلیل کاهش همپوشانی پالس نوری و دسته های الکترونی با افزایش قدرت ، قدرت در آن اشباع می شودیک مقدار نسبتاً کمنزدیک به هماهنگ گرایی مخالف: سود به دلیل همپوشانی ضعیف در مرحله اولیه رشد کم خواهد بود ، اما با افزایش قدرت بهبود می یابد.

Slippage همچنین تصویر ساده اشباع داده شده در پاراگراف قبلی را تغییر می دهد. از آنجا که انتقال انرژی از الکترونها به تابش در قسمت اول Undulator و جذب مجدد به سمت انتها بر قسمت های مختلف پالس تابش تأثیر می گذارد ، قسمت جلوی آن افزایش می یابد ، مهم نیست که پالس چقدر شدید باشد ، در حالی که قسمت دنباله داراز دست دادن تجربه خواهد کردبنابراین با افزایش شدت ، پالس تابش به طور خودکار کوتاه می شود ، در حالی که هنوز هم انرژی خالص را از الکترون ها در هر سفر دور استخراج می کند. در نتیجه ، پالس های بسیار شدید با مدت زمان قابل ملاحظه ای کوتاه تر از n_uوادلامبدا قابل تولید است. سرانجام ، اشباع در نتیجه این واقعیت است که انرژی استخراج شده از الکترونها متناسب با بزرگی میدان الکتریکی تابش و بنابراین به ریشه مربع انرژی پالس است ، در حالی که تلفات دور دور حفره به صورت خطی افزایش می یابدبا انرژی نبض.

حتی در مواردی که دسته الکترونی بسیار طولانی تر از فاصله لغزش است و بی حالی وجود ندارد ، پالس های کوتاه هنوز به طور طبیعی توسعه می یابند. با این حال ، در این حالت ، پالس اشباع از تعدادی سنبله تشکیل شده است که با فاصله نزدیک به فاصله لغزش از هم جدا می شوند.