СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к релятивистской СВЧ-электронике и может быть использовано в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ).

Известен способ генерации СВЧ-волн при авторезонансном торможении электронов, названный арттронным эффектом. Этот способ состоит в генерации электромагнитных волн предварительно сфазированным электронным потоком, который для получения энергетического выигрыша ускоряется постоянным высоким напряжением.

Недостатками способа являются внешняя фазировка электронов полем той же частоты, которое возбуждается или усиливается, а также отсутствие оптимальной фазировки электронного потока.

Известен способ усиления и генерации коротковолнового излучения в устройствах типа скаттрон. Способ основан на вынужденном рассеянии волн электронным потоком, находящимся в циклотронном резонансе как с сигнальной волной, так и с волной накачки.

Недостатками способа являются накачка осцилляторной энергии в электронный пучок непосредственно в пространстве взаимодействия, приводящая к конкуренции циклотронного поглощения и усиления сигнальной волны, а также сравнительно низкий КПД.

Наиболее близким по сути является способ усиления электромагнитных волн, основанный на накачке поперечного импульса в первоначально прямой моноэнергетический электронный пучок, находящийся в условиях авторезонанса со встречной сравнительно низкочастотной волной.

Недостатком способа является сравнительно низкий КПД из-за отсутствия условия полной передачи кинетической энергии пучка попутной высокочастотной волне, находящейся в условиях авторезонанса с электронным пучком.

Таким образом, известные способы усиления электромагнитного излучения не используют накачку поперечного импульса электронного пучка сравнительно низкочастотной волной в сочетании с условием полной передачи кинетической энергии пучка сигнальной волне. При этом частота сигнальной волны может превысить частоту волны накачки в несколько раз при неизменном значении направляющего магнитного поля.

Технический результат изобретения состоит в использовании релятивистских электронных пучков для полной передачи их кинетической энергии усиливаемой высокочастотной волне.

Технический результат достигается тем, что осуществляется авторезонансная накачка поперечного импульса первоначально прямого электронного пучка, распространяющегося вдоль постоянного однородного магнитного поля, встречной волной и последующем отборе мощности, запасенной на пучке, попутной высокочастотной волной, при этом накачка поперечного импульса встречной волной происходит до тех пор, пока для попутной волны не будет выполнено условие полной остановки пучка p_⊥= , где p и Р_z поперечный и продольный импульсы электронов, деленные на массу электрона и скорость света mc.

Возможность достижения технического результата изобретения обусловлена тем, что первоначально прямолинейный электронный пучок является идеально сфазированным для накачки поперечного импульса в условиях авторезонанса с ТЕМ волной, в особенности если она циркулярно поляризована, так как все фазы волны являются в этом случае равноправными по отношению к электронам пучка.

По завершению накачки сфазированный электронный пучок может взаимодействовать без нарушений условий авторезонанса с другой ТЕМ волной, по отношению к которой фаза электронов является идеальной для торможения пучка, т.е. усиления волны. При таких строго резонансных начальных параметрах электронов существует условие Y= ω при котором электроны могут отдать волне всю энергию, ω частота волны, Y= ω (γ -Р_z) продольный интеграл движения, γ релятивистская энергия электронов нормированная на mc².

Способ усиления электромагнитной волны включает в себя следующюю последовательность операций.

Прямой моноэнергетический электронный пучок входит в первую секцию пространства взаимодействия, где взаимодействует со встречной волной в условиях авторезонанса, пока компоненты импульса электронов примут значение p и Р_1z, такие что p=
Затем электронный пучок входит во вторую секцию пространства взаимодействия, где без нарушения авторезонанса полностью отдает свою кинетическую энергию попутной волне.

Предложенный способ может быть реализован в устройствах различной конструкции, отличающихся конфигурацией пространства взаимодействия, устройствами ввода вывода излучения.

На чертеже показано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство состоит из источника электронов 1, излучающего прямой электронный пучок 2, вакуумированного волновода 3, генератора 4 встречной волны, генератора 5 попутной волны, фазовращателя 6, направленных ответвителей 7-9, согласованной нагрузки 10 и 11, коллектора электронов 12 и соленоида 13.

Устройство работает следующим образом.

Источник электронов 1 эмитирует прямой ((p_1⊥=0)0) моноэнергетический пучок электронов, который входит в первую секцию пространства взаимодействия. В эту же секцию через направленный ответвитель 8 от генератора 4 вводится ТЕМ волна частоты ω₁, распространяющаяся навстречу пучку (против оси z) к самосогласованной нагрузке 10.

Соленоид 13 создает магнитное поле , направленное вдоль оси Z, величина которого обеспечивает авторезонанс между электронами и встречной волной, т.е.

В_о=Y, Y= ω₁ (γ +P_z).

Используется система единиц, в которой скорость света, заряд и масса электрона приняты равными единице.

Так как для всех электронов p_1⊥=0, то условие авторезонанса будет иметь вид
B_o= ω₁( + P_zo),
P_⊥o и Р_z0 начальные значения поперечной и продольной компоненты импульса частиц.

В приближении заданного поля решение уравнения движения для P_⊥ и Р_z в зависимости от фазы встречной волны Ψ=ω (t+z) имеет вид
P_⊥= A₁Ψ P_z= P_zo- Ψ21

Таким образом накачка поперечного импульса в первой секции сопровождается уменьшением продольного импульса при общем росте энергии частицы
γ + A1- + .

Длина первой секции L₁ выбирается из тех соображений, чтобы на выходе секции реализовывалось определенное соотношение между поперечным и продольным импульсом
P_1⊥=
Это соотношение между импульсами будет достигнуто при значении фазы
Ψ₁=
При этом
P_1⊥= P_1Z= γ₁= 1+ 1 + P_1Z.

Данные значения импульса и энергии приобретаются электронами на длине пространства взаимодействия
L₁= P
После этого пучок входит во вторую секцию пространства взаимодействия, где взаимодействуют с попутной ТЕМ волной частоты ω₂ и амплитуды А₂, которая излучается генератором 5 и вводится в пространство взаимодействия через направленный ответвитель 7. Согласованная нагрузка 11 служит для того чтобы оградить первую секцию от волны частоты ω₂, а вторую секцию от волны с частотой ω₁.

Частота ω₂ выбирается так, чтобы нарушилось условие авторезонанса для попутной волны, т.е.

Y= ω₂( γ₁- P_1z)=B_o
Так как направляющее магнитное поле В_о одинаково для обеих секций, то частоты ω₁ и ω₂ связаны простым соотношением
ω₂=ω₁(+P_zo).

При входе во вторую секцию все электроны пучка имеют одинаковую фазу по отношению к попутной волне. С помощью фазовращателя 6 устанавливается фаза волны по отношению к частицам равной π т.е. электроны тормозятся попутной волной, усиливая ее. Для попутной волны в отличие от встречной знаки изменения для P_⊥ и Р_z совпадают
P_⊥= P_1⊥-A₂Ψ, P_z= + (P_1⊥-A₂Ψ).

Торможение частиц будет происходить до тех пор, пока поперечный импульс электронов не обратится в нуль. Это произойдет при определенном значении фазы
Ψ₂= . Продольная компонента импульса в этот момент обратится в нуль, если Y= ω₂(γ₁-P_1z)=ω₂. Это означает, что на входе во вторую секцию пространства взаимодействия для электронов выполнено условие полной остановки γ₁= 1+P_1z, следовательно, каждая частица передаст волне всю свою кинетическую энергию Δγ на длине L₂
Δγ γ₁-1 L₂= .

Усиленная попутная волна выводится через направленный ответвитель 9, а электронный пучок осаждается на коллекторе 12.

Приведем некоторые числовые параметры характеризующие работу устройства, выбирая из технически освоенной области значений.

Пусть Р_z0=3 ( γ₀=3,16), ω₁=5^.10¹⁰c^-1 (λ₁3,8 см), А₁=1,8^.10^-2(Е₁=3 ^..10⁶ В/м). Магнитное поле, необходимое для обеспечения резонанса, В_о=1,75 Тл. Необходимая длина первой секции пространства взаимодействия L₁=35 см. На входе во вторую секцию энергия частиц возрастает до значения γ₁=3,58. При этом компоненты импульса частиц составят P_1⊥= 2,27; P_1Z= 2,58.

Во второй секции частицы будут в резонансе с волной частоты ω₂=3,1^.10¹¹ c^-1 (λ₂=0,1 см), т.е. энергия сравнительно низкочастотной волны перекачивается в излучение волны с частотой в 6 раз больше. При амплитуде сигнальной волны А₂= 1,8^.10^-3 (Е₂=3^.10⁵ В/м) каждая частица полностью отдаст всю свою кинетическую энергию Δγ=2,58 на длине L₂=106 см.

Использование новой операции накачки поперечного импульса первоначально прямого электронного пучка, находящегося в авторезонансе со встречной ТЕМ волной, до выполнения условия полной остановки частиц при взаимодействии без нарушения резонанса со сравнительно высокочастотной попутной ТЕМ волной, позволяет эффективно преобразовывать энергию низкочастотных волн для усиления излучения высокой частоты. Прототипом не предусмотрено полное преобразование кинетической энергии частиц в энергию высокочастотной волны.

Изобретение может быть использовано в лазерах на свободных электронах. Оно позволяет преобразовывать изучение низкочастотных волн в излучение высокочастотных миллиметровых и субмиллиметровых волн. Достоинством является также то, что на коллекторе собираются практически остановившиеся электроны, что снимает проблему рассеяния остаточной кинетической энергии пучка.

Использование: изобретение относится к релятивистской СВЧ-электронике и может быть использовано в лазерах на свободных электронах. Сущность изображения: в первоначально прямолинейный моноэнергетический электронный пучок накачивается в условиях авторезонанса осцилляторная энергия от встречной ТЕМ волны до достижения условия полной остановки электронов пучка попутной сравнительно высокочастотной ТЕМ волной, также находящейся в резонансе с пучком. 1 ил.

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на авторезонансной накачке поперечного импульса первоначально прямого электронного пучка, распространяющегося вдоль постоянного однородного магнитного поля, встречной волной и последующем отборе мощности, запасенной электронным пучком, попутной высокочастотной волной, отличающийся тем, что накачка поперечного импульса встречной волной происходит до тех пор, пока для попутной волны не будет выполнено условие полной остановки пучка


где P₁ и P_z поперечный и продольный импульсы электронов пучка после окончания накачки встречной волной, нормированные на произведение массы электрона и скорости света m · c;
ω₁ и ω₂ частоты встречной и попутной волны;
начальный нормированный на m · c продольный импульс электронов.