מאיצים קומפקטיים · התקני אלקטרונים חופשיים

מאיצי חלקיקים קומפקטיים בגרדיאנט גבוה ולייזר אלקטרונים חופשיים הפוך (IFEL)

מאיצי RF קונבנציונליים גדולים ויקרים. לייזר אלקטרונים חופשיים הפוך (IFEL) מציע דרך להאצה קומפקטית: גל אלקטרומגנטי מעביר אנרגיה לאלומת אלקטרונים יחסותית בזמן שהיא מתפתלת לאורך אונדולטור סלילי, וההאצה מגיעה לגרדיאנט גבוה באורכי אינטראקציה של סנטימטרים.

צפייה באנימציית האצת IFEL ←

הפיזיקה

אלקטרון שעובר בשדה מגנטי מחזורי (שדה אונדולטור) מקבל רכיב מהירות רוחבי. כאשר גל אלקטרומגנטי המתקדם באותו כיוון (כאן גל טרה־הרץ בקיטוב מעגלי) מתואם בפאזה לתנועה הרוחבית הזאת, הגל מבצע על האלקטרון עבודה נטו, והאלקטרון צובר אנרגיה (התהליך ההפוך לפליטת הקרינה בלייזר אלקטרונים חופשיים). כדי שהעברת האנרגיה תימשך בזמן שהאלקטרון מואץ, נדרש שינוי הדרגתי (tapering) של מחזור האונדולטור (פסיעת הסליל) ושל השדה לאורכו, השומר על תנאי התהודה.

המודל

המסלול מחושב ב‑COMSOL Multiphysics ממשוואת התנועה היחסותית המלאה תחת כוח לורנץ, בצימוד בין השדה של האונדולטור הסלילי לגל הטרה־הרץ. התוצאות כוללות את מסלול האלקטרון בתלת־ממד, את עקומת תוספת האנרגיה לאורך מקטע האינטראקציה ואת פרופיל השינוי ההדרגתי הנדרש להאצה נעולת פאזה. אלה נתוני הקלט לקביעת המידות של שלב האצה במאיץ קומפקטי.

גרדיאנט האצה גבוה

היתרון של ה‑IFEL הוא גרדיאנט ההאצה (acceleration gradient): תוספת האנרגיה ליחידת אורך. גרדיאנט גבוה דוחס לסנטימטרים האצה שמאיץ RF קונבנציונלי מבצע לאורך מטרים, ועל כך מבוססת האפשרות לבנות מאיץ קומפקטי של ממש. הגרדיאנט מכריע גם כשהחלקיקים צריכים להגיע לאנרגיה הנדרשת לפני שהם דועכים: מיואונים, שזמן חייהם נמדד במיקרו־שניות, הם המקרה שמניע שיטות האצה מהירה ותכנונים רעיוניים של מתנגש מיואונים (muon collider).

פרסומים נבחרים: מאיצים ולייזרי אלקטרונים חופשיים

• מיקרו־אונדולטורים סליליים ממגנטים קבועים ללייזרי אלקטרונים חופשיים בתחום קרני X. Magory E, Bratman VL, Balal N. Permanent helical micro-undulators for x-ray free electron lasers. Physics of Plasmas 31, 053301 (2024). doi:10.1063/5.0199053
• נצילות קרינת אונדולטור בתחום הטרה־הרץ מחבילות אלקטרונים קצרות בשדה של סלילים ממוגנטים באופן קבוע. Balal N, Bratman VL, Lurie Yu, Magory E. Efficiency of terahertz undulator radiation from short electron bunches moving in the field of permanently magnetized helices. Physics of Plasmas 28, 093301 (2021). doi:10.1063/5.0060778
• אונדולטור סלילי המבוסס על חלוקה מחדש חלקית של שדה מגנטי אחיד. Balal N, Bandurkin IV, Bratman VL, Fedotov AE. Helical undulator based on partial redistribution of uniform magnetic field. Physical Review Accelerators and Beams 20, 122401 (2017). doi:10.1103/PhysRevAccelBeams.20.122401
• הפחתת הדחייה הקולונית באמצעות אפקט המסה השלילית בקרינת אונדולטור בתחום הטרה־הרץ מחבילות אלקטרונים. Balal N, Bandurkin IV, Bratman VL, Magory E, Savilov AV. Negative-mass mitigation of Coulomb repulsion for terahertz undulator radiation of electron bunches. Applied Physics Letters 107, 163505 (2015). doi:10.1063/1.4934495
• קרינת אונדולטור מחבילות אלקטרונים מישוריות צפופות. Balal N, Bratman VL. Undulator Radiation of Dense Plane Electron Bunches. IEEE Transactions on Plasma Science 43, 532-538 (2015). doi:10.1109/TPS.2014.2381293

תכנוני האונדולטורים שעליהם נשענת העבודה מפורטים בדף המגנטיות היישומית, והפיזיקה של כליאת אלקטרונים שבבסיסה נבחנת בדף דינמיקת החלקיקים. מודלים של קליסטרון ושל שפופרת גל נע מוצגים בדף מקורות קרינת המיקרוגל, ודוגמאות COMSOL נוספות מרוכזות בדף הסימולציות.

→ כל תחומי המחקר