Лазер на свободных электронах
ЛАЗЕР HA СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ , содержащий соосно расположенные электронную пушку, круглый волновод со спиральным ондулятором и коаксиально им расположенный соленоид для создания продольного магнитного поля В, отличающийс я тем, что, с целью повьпиения эффективности генерации, между электронной пушкой и спиральным ондулятором расположена дополнительная катушка длиной L , создающая поперечное магнитное поле В , причем упомянутые величины выбираются в следующих пределах: Вг„ /6, 1 .( s-fa, где . 4,3.10
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
Ш4 H 01 J 25/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
O(Lc. Re, Я 15„
8 э 1)
712() < < где Ц
/аЯ,/а
Y с—
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3600475/24-21 (22) 03.06.83 (46) 30.03.86. Бюл. У 12 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (?2) В.П.Григорьев и Г.В.Мельников (53) 621.385.6(088.8) (56) Deacon D.À.G. et al Phys. Rev.
Lett, 1977, v. 38, р. 892-894.
Parker R.Ê. Jackson R.Н et. а1.
Phys Rev, Lett, 1982, v. 48, Ф 4, р. 238-242. (54) (57) ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, содержащий соосно расположенные электронную пушку, круглый волновод со спиральным ондулятором и коаксиально им расположенный соленоид для создания продольного магнитного поля В, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения эффективности генерации, между электронной пушкой и спиральным ондулятором расположена дополнительная катушка длиной L, создающая поперечное магнитное поле Ь„, причем упомянутые величины выбираются в следующих преГ;елах:
„„SU„„1151140
4,3 10 (1 — 1/2Е),Е/e (Гс), Из .! ) (r<), Я радиус волновода, cM плотность тока пучка, А/см полная энергия электрона, Мэ В, период пространственно-неоднородного поля ондулятора, см; амплитуда пространственнонеоднородного поля ондулятора, Гс; циклотронная частота, рад/с; плазменная частота, рад/с; релятивистский фактор, скорость электронов, скорость света в свободном пространстве.
1151140
Изобретение относится к технике
СВЧ и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов коротковолнового диапазона.
Известен лазер на свободных электронах на основе линейного ускорителя. Лазер характеризуется тем, что .релятивистский электронный пучок инжектируют в пространственно-пери-, одическое поперечное магнитное поле.
Недостатком лазера является низкая мощность и эффективность
СВЧ-излучения из-за малой запасенной энергии слаботочного электронного пучка линейного ускорителя.
Наиболее близким техническим решением является лазер на свободных электронах с сильноточным электронным пучком ускорителя прямого действия. Содержит электронную пушку, круглый волновод с размещенным на нем спиральным ондуляторбм, который обеспечивает пространственно-периодическое магнитное поле, соленоид, создающий .однородное продольное магнитное поле, ориентированное вдоль направления движения пучка, и необходимое для транспортировки сильноточного электронного пучка в волноводе. Кроме того, присутствие сильного продольного магнитного поля приводит к увеличению коэффициента усиления и мощности излучения при выполнении условия резонанса волны накачки, роль которой играет поперечное поле спирального ондулятора, с циклотронной частотой вращения электронов пучка в продольном магнитном поле. Величина продольного магнитного поля 5 (Гс) в этом случае в зависимости от полной энергии электронов Е (ИэВ) и периода Р (см) поля ондулятора задается ,в виде
2,14 10 "(1 — 1/4Р), /e (.1)
Указанный лазер позволяет получать импульсную мощность до 35 МВт в миллиметровой области СВЧ-диапазона при эффективности порядка
2,57. вблизи значения магнитного поля, где выполняется условие .циклотронного резонанса с волной накачки.
Существенным недостатком такого лазера является то, что при выполнении указанного циклотронного резонанса с волной накачки траектории где В = 4,3 10 (1 — 1/2E. ) " )f,f,Ãñ)
20 радиус пучка водновода, см, плотность тока пучка, A/см полная энергия электронов, ИэВ; период пространственно-неоднородного поля ондулятора,. см, амплитуда пространственнонеоднородного поля ондулятора, Гс, циклотронная частота, рад/с, плазменная частота, рад/с; релятивистский фактор, 35 45 1 чу Ч вЂ” скорость электронов, с — скорость света в свободном пространстве. SS Устройство иллюстрируется чертежом, где обозначены: электронная пушка 1, источник 2 питания электронной пушки, система 3 питания пространстдвижения электронов пучка из-за резонансного учеличения амплитуды поперечных колебаний электронов становятся неустойчивыми. В этом случае наблюдаются потери тока на стенки волновода, в результате чего резко снижается мощность излучения. Цель изобретения — повышение мощности генерации СВЧ-импульсов. 10 Цель достигается тем, что в известном лазере содержащем соосно расположенные электронную пушку, круглый волновод со спиральным ондулятором и коаксиально расположенный соленоид, создающий продольное магнитное поле 6, между электронной пушкой и спиральным ондулятором расположена дополнительная катушка длиной, создающая поперечное маг20 нитное поле 6, причем упомянутые величины выбираются в следующих пределах 1151140 10 ! 20 ВНИИПИ Заказ 1631/5 Тираж 643 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 венно-периодического поперечного магнитного поля ондулятора, система 4 питания квазистатического однородного магнитного поля соленоида, система 5 питания поперечного магнитного поля дополнительной катушки, ондулятор 6 для создания пространственно-периодического поперечного магнитного поля, полюсный наконечник 7 дополнительной катушки для создания поперечного магнитного поля, расположенный между электронной пушкой и спиральным ондулятором, соленоид 8 однородного продольного магнитного поля, волновод 9, образующий область взаимодействия и расположенный коаксиально ондулятору 6. Устройство работает следующим образом. На катод электронной пушки 1 от источника 2 питания подается высоковольтный импульс напряжения. Пучок электронов, формируемый электронной пушкой, поступает в волновод 9, образующий пространство взаимодействия электронного пучка с полем ондулятора 6. Соленоид 8 при питании от системы 4 питания создает квазистатическое однородное магнитное поле В, силовые линии которого ориентированы вдоль направления движения электронного пучка. Ондулятор 6 при питании от системы 3 питания создает пространственно-периодическое магнитное поле В, силовые линии которого направлены перпендикулярно движению электронного пучка. С момента начала импульса напряжения начинает работать и система 5 питания дополнительного поперечного магнитного поля, которая запитывает обмотку электромагнита, между полюсными наконечниками 7 которого находится волновод и электронный пучок. Система 4 питания обеспечивает создание величины однородного магнитного поля соленоида 8, удовлетворяющей условию циклотронного резонанса с суммарной комбинационной волной. Электроны пучка, проходя между полюсными наконечниками 7 электромагнита, который создает поперечное магнитное поле В, с вышеприведенным значением, полу,чают вполне определенный поперечный начальный импульс. Наличие этого импульса позволяет в области взаимодействия электронного пучка с полем ондулятора осуществлять инерцию СВЧ-излучения в режиме циклотронного резонанса с суммарной комбинационной волной, при заданной величине однородного продольного магнитного поля. К примеру при полной энергии электронов = 1,5 МэВ и плотностью тока 3 !2 10 А/см для получения излучения с длиной волны р . 0,8 см требуется период 1, = 4 см. Тогда при величине продольного магнитного поля В = 13 кГс, при которой обеспечивается циклотронный резонанс с комбинационной волной, и величине пространственно-периодического поперечного магнитного поля В, 0,2 кГс, необходимое значение дополнительного поперечного магнитного поля б„ находится в пределах 0,78 кГс 8 < 13 кГс. Таким образом, данный лазер на свободных электронах по сравнению с известным устройством, выбранным в качестве базового, позволяет устранить присущий базовому объекту недостаток и повысить эффективность генерации мощных СВЧ-импульсов. Использование предложенного устройства позволяет получить мощность излучения с уровнем мощности, достигаемым в базовом устройстве, но с 35 более высоким коэффициентом полезного действия, так как в отличие от базового объекта в предлагаемом устройстве отсутствуют потери тока электронного пучка на стенки волно40 вода, в котором осуществляется взаимодействие. В базовом объекте, в области циклотронного резонанса с волной накачки амплитуда поперечных колебаний достигает величины, дос45 таточной для попадания электронов на стенки волновода, в результате чего, мощность излучения в этой области практически равна нулю. А максимум мощности наблюдается при 50 отходе от резонанса и много меньше ожидаемой в области резонанса, тогда как предлагаемое устройство позволяет электронный пучок использовать полностью и без потерь.
