Эффект Смита – Перселла

Эффект Смита-Перселла был предшественником лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Ее изучал Стив Смит, аспирант под руководством Эдварда Перселла . В своем эксперименте они направили энергичный пучок электронов очень близко к поверхности линейчатой оптической дифракционной решетки и тем самым генерировали видимый свет . ^{[ 1 ]} Смит показал, что влияние на траекторию индуцирующих электронов незначительно. По сути, это форма черенковского излучения , в которой фазовая скорость света изменяется периодической решеткой. Однако, в отличие от черенковского излучения, не существует минимальной или пороговой скорости частиц.

Излучение Смита-Перселла особенно привлекательно для приложений, включающих неразрушающую диагностику пучка (например, диагностика длины сгустка в ускорителях) и особенно в качестве жизнеспособного источника ТГц излучения , который имеет дальнейшее широкое применение в разнообразных и высокоэффективных областях, таких как материалы. науки, биотехнологии, безопасность и связь, производство и медицина. Работа на ТГц частотах также допускает потенциально большие градиенты ускорения (~ 10 с ГэВ/м). ^{[ 2 ]}), чтобы быть реализованным. Это, в сочетании с плазменного ускорения в кильватерных полях разрабатываемыми методами и технологией линейных ускорителей (linac), может проложить путь к следующему поколению, компактным (и, следовательно, более дешевым), менее склонным к радиочастотному пробою (текущие ограничения для поверхностных E-полей являются наиболее важными). порядка 10с-100 МВ/м ^{[ 3 ]}), линейные ускорители с высокой выходной энергией.

Фон

Заряженные частицы обычно излучают/генерируют излучение посредством двух разных механизмов:

Ускорение или изменение направления движения: например, тормозное излучение (например, в рентгеновских трубках ), синхротронное излучение (как в ЛСЭ из- за того, что электронные лучи проходят через вигглера / ондулятора установки , или механизм потери энергии луча в круговых коллайдерах ) .
Поляризация: движущийся заряд имеет динамическое кулоновское поле . Для проводящего/ поляризующегося материала взаимодействие между этим полем и зарядами в материале/среде может генерировать излучение. Сюда входят черенковское и переходное излучение , когда частица движется внутри среды, генерирующей излучение, а также дифракционное излучение. ^{[ 4 ]} где (обычно релятивистские) частицы движутся вблизи материала мишени, генерируя, например, оптическое дифракционное излучение (ODR) ^{[ 5 ]} и излучение Смита – Перселла (SPR).

Преимущество использования поляризационного излучения, в частности, заключается в отсутствии прямого воздействия на исходный луч; луч, вызывающий радиационное излучение, может продолжать свой первоначальный путь без изменений и индуцировать ЭМ- излучение. Это отличается от эффектов тормозного излучения или синхротрона, которые фактически изменяют или искривляют входящий луч. Благодаря этой неразрушающей функции ППР стал интересной перспективой для диагностики пучка, а также предлагает возможность создания надежных технологий из-за теоретически отсутствия контактных или рассеивающих взаимодействий между пучком и мишенью.

Дисперсионное соотношение

Когда заряженная частица проходит над периодической решеткой (или периодической неоднородностью среды), на поверхности решетки индуцируется ток. Этот индуцированный ток затем излучает излучение на разрывах решетки из-за рассеяния кулоновского поля индуцированных зарядов на границах решетки. Дисперсионное уравнение для эффекта Смита – Перселла (SPE) имеет следующий вид: ^{[ 6 ]}

\lambda ={\frac {L}{n}}\left({\frac {1}{\beta }}-\cos {\theta }\right)

,

где длина волны $\lambda$ наблюдается под углом $\theta$ направлению электронного луча для $n^{th}$ порядок режима отражения и $L$ период решетки и $\beta$ – относительная скорость электронов ( $v/c$ ). Это соотношение можно получить, рассматривая законы сохранения энергии и импульса.

Ссылки

^ Смит С.Дж., Перселл Э.М. (15 ноября 1953 г.). «Видимый свет от локализованных поверхностных зарядов, движущихся по решетке». Физический обзор . 92 (4): 1069. doi : 10.1103/PhysRev.92.1069 . ISSN 0031-899X .
^ Нанни Э.А., Хуанг В.Р., Хонг К.Х., Рави К., Фаллахи А., Мориена Г. и др. (октябрь 2015 г.). «Линейное ускорение электронов на терагерцовом частоте» . Природные коммуникации . 6 (1): 8486. doi : 10.1038/ncomms9486 . ПМК 4600735 . ПМИД 26439410 .
^ Яцевич, М.; Циманн, В.; Экелёф, Т.; Дубровский А.; Рубер, Р. (21 августа 2016 г.). «Спектрометры для исследования ВЧ-пробоя для CLIC» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 828 : 63–71. дои : 10.1016/j.nima.2016.05.031 . ISSN 0168-9002 .
^ Карловец, Д.В.; Потылицын, АП (2008). «К теории дифракционного излучения». Атомы, Молекулы, Оптика . 107 (5): 755–768. дои : 10.1134/s1063776108110058 . S2CID 121821580 .
^ Фиорито, РБ; Шкварунец, АГ; Ватанабэ, Т.; Якименко В.; Снайдер, Д. (24 мая 2006 г.). «Интерференция дифракционного и переходного излучений и ее применение в качестве диагностики расходимости пучка» . Специальные темы Physical Review — Ускорители и пучки . 9 (5): 052802. arXiv : физика/0605110 . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.9.052802 . ISSN 1098-4402 .
^ Эндрюс Х.Л., Боулвар CH, Брау Калифорния, Джарвис Дж.Д. (20 мая 2005 г.). «Дисперсия и затухание в лазере на свободных электронах Смита – Перселла» . Специальные темы Physical Review — Ускорители и пучки . 8 (5): 050703. doi : 10.1103/PhysRevSTAB.8.050703 . ISSN 1098-4402 .

[1] Смит С.Дж., Перселл Э.М. (15 ноября 1953 г.). «Видимый свет от локализованных поверхностных зарядов, движущихся по решетке». Физический обзор . 92 (4): 1069. doi : 10.1103/PhysRev.92.1069 . ISSN 0031-899X .

[2] Нанни Э.А., Хуанг В.Р., Хонг К.Х., Рави К., Фаллахи А., Мориена Г. и др. (октябрь 2015 г.). «Линейное ускорение электронов на терагерцовом частоте» . Природные коммуникации . 6 (1): 8486. doi : 10.1038/ncomms9486 . ПМК 4600735 . ПМИД 26439410 .

[3] Яцевич, М.; Циманн, В.; Экелёф, Т.; Дубровский А.; Рубер, Р. (21 августа 2016 г.). «Спектрометры для исследования ВЧ-пробоя для CLIC» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 828 : 63–71. дои : 10.1016/j.nima.2016.05.031 . ISSN 0168-9002 .

[4] Карловец, Д.В.; Потылицын, АП (2008). «К теории дифракционного излучения». Атомы, Молекулы, Оптика . 107 (5): 755–768. дои : 10.1134/s1063776108110058 . S2CID 121821580 .

[5] Фиорито, РБ; Шкварунец, АГ; Ватанабэ, Т.; Якименко В.; Снайдер, Д. (24 мая 2006 г.). «Интерференция дифракционного и переходного излучений и ее применение в качестве диагностики расходимости пучка» . Специальные темы Physical Review — Ускорители и пучки . 9 (5): 052802. arXiv : физика/0605110 . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.9.052802 . ISSN 1098-4402 .

[6] Эндрюс Х.Л., Боулвар CH, Брау Калифорния, Джарвис Дж.Д. (20 мая 2005 г.). «Дисперсия и затухание в лазере на свободных электронах Смита – Перселла» . Специальные темы Physical Review — Ускорители и пучки . 8 (5): 050703. doi : 10.1103/PhysRevSTAB.8.050703 . ISSN 1098-4402 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]