Лазер на свободных электронах

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний . Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов - достигается тем, что в лазере источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного релятивистского электронного потока. Достижение цели изобретения подтверждено расчетами. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((1) (я)ю Н 01 J 25/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4864869/21 (22) 18.07.90 (46) 15.04,93. Бюл. ¹ 14 (71) Сумское отделение прикладной физики

Института металлофизики АН УССР (?2) В.В.Кулиш и В.Е.Сторижко (73) Сумское отделение прикладной физики

Института металлофизики АН Украины (56) Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. — M.: Мир, 1987. — 239 с.

Коцаренко Н.Я., Кулиш B.Â, Об эффекте супергетеродинного усиления электромагнитных волн в системе плазма-пучок. — Радиотехника и электроника, t 980, т. 25, ¹ 11, с. 2470-2471.

Изобретение относится к электронной технике, в особенности, к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний, и может быть использовано как генератор шума в измерительной технике, а также в качестве технологического генератора электромагнитного излучения, Цель изобретения — расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов, Поставленная цель достигается тем, что в электронном приборе, содержащем систему накачки, электродинамическую систему генерируемого (усиливаемого) сигнала, кол-; лектор электронов, согласно изобретению, источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного (биэнергетичного) электронного потока.

Выполнение источника релятивистского электронного пучка по указанной схеме дает возможность иСпользовать в устройст(54) ЛАЗЕP НА СВОБОДН61Х ЭЛЕКТРОНАХ (57) Изобретение относится к электронной технике, в частности к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний, Цель изобретения — расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов — достигается тем, что в лазере источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного релятивистского электронного потока, Достижение цели изобретения подтверждено расчетами. 3 ил. ве в качестве рабочего механизма эффект двухпучкового супергетеродинного усиления электромагнитных волн.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема электронного прибора (модификация 1 — генератор флуктуационных ъ .колебаний); на фиг. 2 — структурная электри- ф) ческая схема электронного прибора (моди- С1 фикация 2 — генератор когерентных колебаний); на фиг. 3 — компоновка прибора по модификации 2.

В качестве узлового элемента заявляемой конструкции, в том числе и устройства, Ф представленного на фиг. 1, служит источник двухскоростного электронного пучка, который включает в себя электронные пушки 1 и Ъ

2, используемые как инжекторы для ускорителя 3. B качестве электронных пушек применяют как электронно-оптические системы, на основе термо- либо фотоэмиссионных катодов, создающие прецизионные электронные пучки, так и ускорители прямого действия на основе взрывных като1809934 дов. Система накачки 4 может иметь много, численные варианты схемного исполнения, как по типу используемого поля накачки, так и ее компоновки, Наиболее перспективны здесь стандартные магнитные ондуляторы (в том числе и микроондуляторы) и системы лазерной накачки, т,е. системы с накачкой периодически реверсивным магнитным полем либо полем электромагнитной волны.

Система накачки имеет односекционную либо многосекционную компоновки. В последнем случае она содержит относительно короткие секции накачки, разделенные длинными пролетными промежутками. В генераторах -флуктуационных колебаний односекционные конструкции системы накачки, однако, более предпочтительны.

Электродинамическая система генерируемого сигнала 5 служит для вывода генерируемого излучения частоты ltd из устройства (например, в форме цветного шума). Она выполнена в виде оптической либо квазиоптической линии. Для повышения КПД прибора и уменьшения уровня тормозного рентгеновского излучения коллектор электронов 6 может иметь многоступенчатую схему исполнения и содержать деускорительную секцию, т.е. ускорительную секцию, работающую в режиме торможения электронного пучка, Деускоритель и ускоритель выполнены по однбй из известных схем. Наиболее перспективны здесь линейные индукционные и электростатические типы конструкций, Причем конструкция электронных пушек-инжекторов такова, что одна из них имерт в центральной части окно, через которое вводят электронный пучок 7 таким образом, чтобы на выходе другой пушки 0Н совместно с электронным пучком

8 образовывал бы двухскоростной электронный пучок 9, Генератор когерентного электромагнитного излучения представлен на фиг. 2, В данном примере проиллюстрирована иная возможная конструктивная модификация конструкции источника двухскоростного пучка. Здесь 1 и 2 — электронные односкоростные ускорители с пушками-инжекторами, а 3 — система сведения двух односкоростных пучков в один двухскоростной. Устройство последнего типа широко используют в ускорительной технике. Система накачки 4 может иметь как одно- так и многосекционную конструкцию. Для данного устройства наиболее аерспективны двухсекцион н ые конструкции и ролетноклистронного типа. Коллекторний узел может содержать устройство разделения электронных пучков по энергиям 5, аналогичное по принципу действия масс-спектрометрической системе. В этом случае токоосаждение осуществляется в двух коллекторах 6 и 7 соответственно. В представленном примере электродинамическая система сигнала 8 выполнена в виде резонатора Фабри-Перо. При малых относительных раздвижках скоростей электронных пучков

9, 10 коллекторный узел может вместо системы разделения пучка 11 содержать одно

1О поворотное устройство и один коллектор.

При замене последнего на оптическую линию конструкция может быть использована в качестве усилителя когерентного электромагнитного излучения субмиллиметрового—

"5 видимого излучения.

Пример конструкции генератора, выполненного по схеме, представленной на фиг. 2, приведен на фиг, 3, В качестве основы здесь выбрана установка компактного лазера на свободных электронах, построенная в Калифорнийском университете, Санта-Барбаре (CLilA). Модернизация указанной известной установки произведена в соответствии с существом изобретения, Здесь односкоростные электронные пушки

1, 2 используют в качестве инжекторов для двух ускорительных трубок 3, 4 саответстВеННо (два параллельных канала в электростатическом ускорителе), Элементы 5, 6

30 используют для транспортировки и поворотов каждого из односкоростных электронных пучков, В качестве системы накачки 7 использованы одно- либо двухсекционные микроондуляторы (в последнем случае применена описанная выше пролетно-клистронная схема системы накачки) на основе самарий-кобальтовых магнитов, Системы 8, 9 служат для поворотор, транспортировки и деускорения (торможения) отработанного

40 двухскоростного пучка, для осаждения которого предусмотрен многоступенчатый коллектор 10, B данный блок узлов может быть введено устройство разделения электронных пучков по скоростям, В таком случае

45 конструкция содержит по две системы поворотов; транспортировки и деускорения, а также два коллектора. Весь электронно-оптический тракт рассчитан на прохождение двух электронных пучков с энергией 2 МэВ

50 и током 2 А каждый, Компрессию электронного пучка на входе системы накачки и транспортировку его через область взаимодействия электронного прибора осуществляют с помощью набора известных электронно-фокусирующих систем (квадрупольных и секступольных линз, соленоидов и др,). Питание ускорительной и деускорительной трубок осуществляется от генератора В ан-Дер-Граафа П, питание диагностической аппаратуры, а также уп1809934 равляющей аппаратуры в высоковольтной части установки — от генератора 12, приводящегося в движение гибким пластиковым валом 13, Электродинамическая система сигнала 14 выполнена в виде резонатора

Фабри-Перо либо оптической линии. Электродвигатель 15 предназначен для возвращения пластикового вала, соединенного с генератором. Лазерная часть электронного прибора с набором вспомогательных систем размещена в объеме кондуктора 16, к которому подключен генератор Ван-рерГраафа, Весь объем установки, ограниченный танком 17,. заполнен газом, обладающим высокой электрической прочностью, например, шестифтористой серой.

Исключение составляет лишь объем электронно-оптического тракта, где поддерживают высокий вакуум.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим конструктивный вариант, представленный на фиг. 1 (генератор флуктуационных колебаний). Двухскоростной электронный сильноточный пучок 9, сфор.мированный из электронных пучков 7, 8, создаваемых двухскоростным инжектором

1, 2, поступает на вход ускорителя 3, который в данной конструкции имеет достаточно высокий темп ускорения (не менее

3 — 5 МэВ/м). Преждевременное возбуждение двухпотоковой неустойчивости в пучке в процессе ускорения для стандартной системы подавлено тем, что резонансная частота двухпотоковой неустойчивости здесь меняется с ростом энергии пучка, так что случайная флуктуация фиксированной частоты может усиливаться только в течение малого промежутка времени. После выхода из ускорителя 3 двухскоростной пучок 9 направляют в систему накачки 4, где для него реализуют условия возбуждения двухпотоковой неустойчивости. Последнее характеризуется малосигнальным инкрементом усиления вв и резонансной частотой

N --вор = где вп — плазменная частота двухскорост ного пучка;

$b — релятивистский фактор, усредненный по.обоим пучкам, с — скорость света в вакууме, Лу — разность релятивистских факторов односкоростных пучков.

В качестве начального возмущения для двухпотоковой неустойчивости служат

5 волны пространственного заряда (ВПЗ), возбуждаемые в пучке в результате нелинейного параметрически-резонансного взаимодействия электромагнитных шумов системы частоты в и поля накачки с элект10 ронами. В случае Н-убитронной накачки параметрически-резонансная частота может быть легко вычислена (уЬ» 1) по формуле.. 4лсЯ

Сф- - -N, Л (3) где Л- период ондулятора; в — частота Bll3, возбуждаемых при

I параметрическом резонансе, В случае наложения двух резонансов (двухпучкового и параметрического), т.е. при са = в - " в, одна из ВПЗ, возбуждаемых ! за счет параметрического механизма, эффективно усиливается за счет двухпотокоsoA неустойчивости. В свою очередь, взаимодействие нарастающей ВПЗ с полем накачки приводит к генерации (за счет пара, метрической связи волн) нарастающей электромагнитной волны сигнала а и т,д. При больших усилениях ВПЗ и при некоторой оотимальной малой растройке резонансных частот о, в и в (удовлетворяющей критеl рию Чирикова) в системе в дальнейшем про35 исходит стохастизация процесса усиления устройство переходит в режим работы генератора флуктуационных колебаний, Генерируемый сигнал са выводится из устройства посредством электродинамической систе40 мы 5, а отработанный электронный пучок 9 осаждается на коллекторе 6.

Приведем некоторые оценки. В качестве инжекторов 1 и 2 (фиг. 1) выберем сильноточные диодные пушки, обеспечивающие в области взаимодействия устройства значения плазменной частоты двухскоростного пучка вп 10 см, В качестве системы 3 применим линейный индукционный ускоритель на энергию 5 МэВ, а для накачки— микроондулятор, описанный в, напряженность магнитного поля 10 кГс, период—

4 мм, длина — 80 см. После вычислений получаем в -5X10 см, что соответствует длине волны 2z -4 мкм, Г 0,5 см, погонный

-1 линейный коэффициент усиления 1,8 10

1б раз/м, При этом полагалось, что разброс электронов по энергиям на выходе ускорителя составил величину 1%, что вполне реально, При КПД 40% {уже реализованных в аналогичных однопучковых системах) им1809934

Фиг. 2 пульсная мощность выходного флуктуационного сигнала может составить величину

10 Вт (в случае использования килоам10 перных пучков).

Работа устройства, приведенного íà 5 фиг. 2 и фиг, 3, сходна с работой вышеописанного, Отличие состоит в том, что данная система работает в режиме генератора (с самовозбуждением) либо ускорителя когерентных колебаний, Здесь реализованы 10 условия, при которых стохастизация генерируемого (усиливаемого) сигнала не происходит. Это достигается при не слишком высоких усилениях в односекционных системах. В случае высокого усиления исполь- 15 зована клистронно-пролетная конструкция системы накачки, где основное усиление происходит на пролетном участке системы и наложение двух нелинейных резонансов места не имеет. Секции же модуляции и 20 энергоотбора выполнены достаточно короткими, так что процесс стохастизаций усиливаемого сигнала развиться не успевает, Для иллюстрации достоинств устройства приве,цены данные расчетов, Ориентируемся на 25 конструкцию с параметрами: энергия—

2 МэВ, ток сдвоенного пучка — 2х2.А. В односекционной системедля накачки выбираем вигглер с амплитудой поля накачки 500

Гс, периодом 1 мм, длиной 20 см, Радиус пучка полагаем равным 0,4 мм, Тогда для коэффициента усиления находим величину

2,6 раз, т.е. 260 за один проход, 8 аналогичной однопучковой системе соответственно получаем величину усиления 12-15% за один проход. Переход к пролетно-клистронной системе позволяет поднять коэффициент слабосигнального усиления до значения

10 и выше, что может быть реализовано(в з принципиальном плане) с помощью прототипа лишь в огромных установках размерами в сотни метров. Здесь же габариты установки составляют величины 6х1,5 м (см. фиг. 3), соответственно резко снижается ее вес.

Формула изобретения

Лазер на свободных электронах, содержащий расположенные последовательно источник релятивистского электронного пучка, систему накачки, электродинамическую систему генерируемого сигнала, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот, повышения устойчивости его работы при снижении веса и габаритов, источник релятивистского электронного. пучка выполнен двухскоростным.

1809934

Составитель А.Афонин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор М,Керецман

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

° Заказ 1301 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5