Способ генерирования направленных пучков электромагнитного излучения

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при генерации направленных потоков электромагнитного излучения. Цель изобретения - сужение углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения . Для этого на пучок электронов высокой энергии, движущейся во внешнем пространственно-периодическом магнитном поле ондуляторов или электромагнитных волн, что обеспечивает быстрые колебания электронов с периодом Я w и амплитудой aj. , воздействуют дополнительно возбужденным магнитным полем с пространственным периодом Я w 2 л Яуу . Это приводит к появлению дополнительных более медленных циркуляционных колебаний электронов с периодом Яю и амплитудой Аг 2 Лд1 Кроме того, приводятся аналитические выражения, регламентирующие выбор периода и амплитуды дополнительного поля и число периодов быстрых и медленных колебаний. 2 з п. ф-лы, 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (яи Н 05 Н 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) юзям

NiTEHTH Гt. VfOHll

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ а < w /2лу

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4663602! 21 (22) 20.03,89 (46) 23.06,93, Бюл. М 23 (72) А.А.Варфоломеев (56) Синхронное излучение, Свойства и применение / Под ред, К.Кунца. Перев. с англ. под ред, С.П,Капицы и М.М.Тернова. — М.:

Мир, 1981, с. 526.

Никитин М.М. и Эпп В.Я, Ондуляторное излучение. — М.: Энергоатомиздат, 1988, с.

152. (54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к ускоритель= ной технике и может быть использовано при генерации направленных потоков электромагнитного излучения. Цель изобретения— сужение углового распределения и интегИзобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации направленных пучков электромагнитного излучения с помощью электронных пучков высокой энергии, получаемых на ускорителе.

Целью изобретения является сужение углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения.

На чертеже изображена схема двойного двухпериодного ондулятора, позволяющая осуществить предлагаемый способ генерации излучения. Здесь il w — пространственный период знакопеременного линейно . поляризованного магнитного поля, перпендикулярного оси Z; Л -пространствен-. ный период циркулярного (спирального) магнитного поля, перпендикулярного оси 2.

„„. Ж„„1823162 А1 рального по углу частотного спектра излучения. Для этого на пучок электронов высокой энергии, движущейся во внешнем пространственно-периодическом магнитном поле ондуляторов или электромагнитных волн, что обеспечивает быстрые колебания электронов с периодом il и амплитудой

ai, воздействуют дополнительно возбужденным магнитным полем с пространственным периодом Л > 2 л Л . Это приводит к появлению дополнительных более медленных циркуляционных колебаний электронов с периодом Х и амплитудой

А, > 2 ла1. Кроме того, приводятся аналитические выражения, регламентирующие выбор периода и амплитуды дополнитель- Я ного поля и число периодов быстрых и медленных колебаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ осуществляют следующим образом.

Электронный пучок направляют вдоль оси Zдвойного ондулятора,,Амплитуды полей каждого ондулятора ограничивают таким образом, чтобы выполнялось условие дипольности для высокочастотных поперечных колебаний электронов где а — амплитуда поперечных колебаний; у — релятивистский фактор электрона

Ее/mc .

Амплитуду поля длиннопериодного ондулятора и его период подбирают из условия обеспечения медленных колебаний с пространственным периодом

1823162

Л. >ко Л (2) (3) 15

Nw> (— — )

ЛЛ, (4) Nw — )nw)1 кл, 20

E (QJ)(5) (8) где к > 2 числовой параметр, пропорциональный кратности уменьшения углового размера пучка излучения и амплитудой А исло периодов колебаний электрона в ондуляторах на пути воздействия пространственно периодическими магнитными полями подбирают в соответствии с ограничениями где Nw — число периодов Л ), и„— число периодов Я„;

ЛЛ /Л вЂ” минимальная относительная полуширина спектра излучения, на которую рассчитывается источник излучения.

Для расчета спектрально-углового распределения интенсивности излучения обычпользуюTGA Формулои . для 30 фурье-компоненты электрического поля излучения в волновой зоне где и — частота излучения; 40

k =- а n/c — волновой вектор; и — единичный вектор, задающий напрввление излучения;

P — скорость электрона в единицах скорости света;

p — расстояние от ондулятора до точки наблюдения;

Й Т вЂ” полное время пролета электрона через ондулятор.

В соответствии с (5) поле излучения, re- 50 нерирувмое электроном в результате прохождения через ондулятор, можно представить как сумму полей излучения элементарныхых излучателей, расположенных вдоль траектории электрона. Суммирова- 55 ние должно проводиться с учетом эффекта запаздывания, т.е. с учетом относительного сдвига фаз излучателей, зависящего от скорости электрона и координат излучателя.

Отсюда видно. что в итоге спектральное и угловое распределение суммарного поля

* излучения электрона будут зависеть от формы его траектории.

8 случае дипольнаго ондуляторного излучения общее поле излучения имитируется полем движущегося дипольного излучателя или соответственно полем линейной цепочки сфаэированных дипольных излучателей.

Оно оказывается направленным и сосредоточено в пределах угла 1/ g. Под заданным углсм излучения 0 излучается определенная длина волны Л > (0)с шириной

ЛЛ./Л, = 1/Nw (6) где Nw — число периодов в ондуляторе-прототипе.

Для плоского ондулятора

Л, =Л„(1+ 2 +YО)/2Y где Л) — период ондулятора;

К вЂ” постоянная ондулятора, определяемая величиной отклоняющего поля. В дипольном приближении К < 1, В предлагаемом же способе пру соблюдении условий (1)-(4) спектр элементарных излучателей остается дипольным, соответствующим высокочастотным колебаниям в короткопериодном ондуляторе.

Низкочастотные колебания при тех же условиях приводят к адиабатическому изменению поперечных координат дипольных излучателей в некоторых ограниченных пределах. Область, занимаемая излучателями, становится двумерной, а в общем случае и трехмерной. Иаличие конечных поперечных размеров у источника излучения приводит к появлению интерференционн ых максимумов и увеличению направленности излучения.

Сильный эффект достигается в случае, когда излучатели описывают в поперечной к оси 2 плоскости не кривую, а некоторую площадь, например, круга. Очевидно, что угловые размеры пучка излучения в этом случае определяются размером дифракционного максимума где Π— диаметр сечения пучка излучения.

Формула (8) качественно иллюстрирует эффект сужения углового распределения излучения предлагаемым способом за счет увеличения поперечных размеров источника излучения.

1823162

10 (10) В этом способе не нарушаются условия, приводящие к соотношениям (6) и (7), поэтому все ограничения (6), (7) и (8) выполняются одновременно, Это означает, что сужение углового распределения типа (8) должно в силу (7) приводить к сужению спектра излучения, т.е. увеличению монохроматичности.

Конкретный вид спектра излучения рассчитывают по формуле (5) с учетом параметров ондуляторов, формы их полей, размеров и т.п, В частности, двухпериодный магнитный ондулятор, схема полей которого представлена на чертеже, обеспечивает траекторию электронов

2 7г г г х- R sin Z +а Sln

2л у= R. coo Z где k — амплитуда циркулярных колебаний с пространственным периодом Л а — амплитуда линейных колебаний с периодом Л (Л /к,7г

Используя (9) и (5), можно показать, что спектрально-угловое распределение интенсивности излучения при R О приобретает дополнительную зависимость, выражаемую через функцию Бесселя нулевого ранга

1 (01 Л, R ) = 1 (О„Л, О ) А (2 7г 0 в ) I 2 где 1(, 0 4, О) — функция спектрально-углового распределения излучения в линейHîì ондуляторе без дополнительных циркулярных колебаний (R = О).

При достаточно большом числе периодов ондулятора эта функция отражает зависимость длины волны излучения от угла излучения (7) с точностью (6).

Путем изменения амплитуд поля длиннопериодного ондулятора можно обеспечить адиабатическое изменение амплитуды низкочастотных колебаний А в пределах

О (Ar (R.

В этом случае при достаточно большой длине ондулятора (и» 1) спектрально-угловое распределение принимает вид (11) где Ji — функция Бесселя первого ранга.

Иэ (10) и (11) видно, что при достаточно большой амплитуде циркулярных колебаний

OR> Л, (12) 15

55 появляется эффект подавления излучения, При условии (3) этот эффект будет проявляться в области углов излучения 0 (1/ у, что означает сужение углового и спектрального распределений излучения одновременно. При этом электрон излучает вдоль своего направления движения (оси Z) в пределах угла (8) с относительной шириной спектра

ЛЛа/Ла = (Ла у/2 R ) (13) Пример конкретного осуществления способа. При выборе параметров прототипа

) 10 4н -5см, Nw= 100, К=1 излучение сосредоточено в пределах угла 0 = 10 рад

-з со сг1лошным спектром от Л s = О до Л s =

375 А.

В предлагаемом способе при выборе параметров спирального ондулятора Л w100 см, nw = 5, К = 1 излучение каждого электрона сосредоточено в пределах 0 - 1

6 10 рад, а спектр излучение сужается и представляет собой линию с относительной шириной (ЛЛ /Л ) = 0,025. Эффект сужения от 100ф, к 2,5 .

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить монохроматичность и направленность излучения отдельного электрона, что в свою очередь позволяет: снять ограничения на угловой разброс электронов и использовать электронные пучки с конечным угловым разбросом (> 1/ y) для генерации квазимонохроматического ондуляторного излучения; увеличить приемный угол излучения вплоть до значений >1/ у в соответствии с реальными размерами приемника без влияния на спектр воспринимаемого излучения; снизить энергетический разброс ондуляторного излучения электронною пучка до пределов, определяемых лишь энергетическим разбросом электронов в пучке.

Формула изобретения

1. Способ генерирования направленных пучков электромагнитного излучения, заключающийся в обеспечении поперечных колебаний электронов высокой энергии с амплитудой а с пространственным периодом Л „путем воздействия на них пространственно-периодического магнитного поля ондуляторов или электромагнитных волн, отличающийся тем, что, с целью сужения углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения, на участке колебаний электронов возбуждают дополнительное магнитное попе ондупяторов или электромагнитных волн с пространственным периодом Л,обеспе1823162 адиабатически без нарушения условия дипольности колебаний

2 л а < Pr 9 Аута с < hw/2 л у чивающее дополнительные циркулярные колебания электронов, период Л и амплитуда Аг которых удовлетворяют выражениям

Aw >2л A w и Аг>2 л а*. 5

3. Способ попп.1 и2, отл ича ю щийс я тем, что число периодов основного поля

Й, число периодов дополнительного поля и® и амплитуды этих полей ограничивают снизу следующими условиями

2. Способ. по п.1, о т л и ч а ю. шийся тем, что, с целью повышения монохроматичности в интегральном по углу частотном спектре излучения, амплитуды магнитных 10 полей, обеспечивающих поперечные колебания электронов, выбирают иэ условия дипольности соответствующих колебаний а <

(Ь3,/Я ) п »1; (А п,а,/2 тра ) ) (ЛА /Ае ) где A4/Я вЂ” минимальная допускаемая энергетическим разбросом электронов относительная Ширина спектра, на которую рассчитан источник излучения. л

Составитель Е. Громов

Техред M.Ìoðlåíòàë

Корректор Л.Филь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патен ", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2188 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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