СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2006 года по МПК H01S3/959 

Изобретение относится к технической физике - к области генерации когерентного электромагнитного излучения (ЭМИ) - и может быть использовано при создании мощных лазерных систем, например, в технологических установках по фрагментированию отработанного оборудования ядерных реакторов атомных электростанций.

Известен способ и устройство для получения ЭМИ оптического диапазона В.В. Кулиш и В.Е. Сторижко «Лазер на свободных электронах», патент РФ № 1809934, с приоритетом от 18.07.1990 г., опубликованный в БИ №14, 93 г., Кл. МПК H 01 J 25/00. Способ включает операции получения двух пучков электронов с различной энергией, совмещение их траекторий в ондуляторе, формирование в ондуляторе ЭМИ и смещение пучков относительно выхода ЭМИ. Устройство содержит два ускорителя электронов, систему сведения двух односкоростных пучков в один пучок, ондулятор, устройство разделения электронных пучков по энергиям на выходе и резонатор Фабри-Перо. Способ заключается в использовании биэнергетичного (двухскоростного) пучка электронов для супергетеродинного усиления флуктуационных и когерентных электромагнитных колебаний. Формирование электромагнитного поля частот оптического диапазона происходит в системе накачки, которой, в частности, может являться ондулятор, создающий реверсивное магнитное поле. Генерация электромагнитного излучения происходит в результате воздействия поля ондулятора на электронный пучок, в результате чего электроны движутся по периодически искривленным траекториям и излучают электромагнитные волны. Усиление сигнала происходит вследствие группировки сгустков электронов и их взаимодействия с электромагнитной волной в оптическом клистроне.

Недостатками аналога являются низкий КПД преобразования энергии электронов в энергию ЭМИ и существенные флуктуации амплитуды электромагнитного поля. Данные ограничения связаны с тем, что мощность генерации прямо пропорциональна ширине линии генерации. Наличие усиления флуктуации амплитуды электромагнитного поля, приводящее к росту мощности генерации, является причиной сложного модового состава генерации, т.е. данный аналог является узкополосным генератором шума, перестраиваемым в широком спектральном диапазоне.

Наиболее близким к заявляемому является способ и устройство для получения электромагнитного излучения оптического диапазона Д.Ю. Нагорный, В.С. Скакун, В.Ф. Тарасенко, А.В. Феденев «Лазер с накачкой электронным пучком газообразных активных сред при температурах 10÷700°С», журнал «Приборы и техника эксперимента» № 3, 1990 г., стр. 169-172. Способ включает создание пучка ускоренных электронов с энергией 200÷260 кэВ и генерацию излучения в активной газообразной среде. Устройство по прототипу содержит малогабаритный ускоритель электронов типа МИРА или РАДАН и кювету с активной газообразной средой. В кювету инжектировался электронный пучок под углом 30° по продольной схеме накачки. Поворот и фокусировка пучка осуществлялась импульсным магнитным полем. Генерация осуществлялась в смесях Не-Cd, He-NF₃, He-Ne-Ar и Ne-Н₂. Мощность выходного лазерного излучения связана со средней величиной коэффициента усиления активной среды, который по длине кюветы изменяется от нуля, где электроны пучка полностью затормозились до максимального значения на входе пучка в кювету. Поэтому усилительные свойства лазерно-активной среды по длине кюветы являются неоднородными и в режиме насыщения светового потока существуют области усиления и ослабления оптического сигнала. Отсутствие возможности перестройки длины волны генерации связано как со свойствами оптического резонатора, так и с физическими принципами оптических квантовых генераторов. Как правило, полоса отражения зеркал резонатора является достаточно узкой, чтобы происходило селективное выделение линии генерации, для которой коэффициент потерь на границах среды является наименьшим. В некоторых средах возможна одновременная или конкурентная генерации на нескольких длинах волн. В этом случае перестройка длины волны генерации может происходить в результате изменения как состава или давления активной среды, так и удельной мощности ее возбуждения.

Недостатком прототипа является низкий уровень КПД преобразования энергии электронов в энергию генерации ЭМИ, обусловленный неоднородностью усилительных свойств активной среды по длине лазерной кюветы.

В данном изобретении решалась задача создания эффективного способа и устройства для получения мощного узконаправленного когерентного излучения с плавно перестраиваемой длиной волны генерации.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение КПД преобразования энергии электронов в энергию ЭМИ оптического диапазона.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению со способом получения ЭМИ оптического диапазона по прототипу, включающим создание пучка ускоренных электронов и генерацию излучения в активной газообразной среде, новым является то, что после создания пучка ускоренных электронов дополнительно формируют ондуляторное ЭМИ. Далее вводят пучок электронов и ондуляторное ЭМИ в газообразную активную среду, предварительно разделив их траектории в пространстве. Ондуляторное ЭМИ вводят в газообразную активную среду навстречу или по направлению траектории распространения пучка электронов.

Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с устройством для получения ЭМИ оптического диапазона по прототипу, содержащим ускоритель электронов и кювету с газообразной активной средой, новым является то, что устройство дополнительно содержит ондулятор, расположенный между ускорителем и кюветой, а также средство трассировки пучка электронов и ондуляторного ЭМИ для разделения их в пространстве и раздельного ввода их в кювету с газообразной активной средой. Средство трассировки пучка электронов выполнено в виде электроновода и магнитной системы. Средство трассировки ондуляторного ЭМИ выполнено в виде поворотных зеркал и окон.

Формирование ондуляторного ЭМИ с регулируемьми параметрами (длина волны, модовая структура, направление поляризации излучения т.д.) позволяет задавать исходный профиль волнового фронта ондуляторного ЭМИ, которое затем усиливается в квантовом усилителе. Взаимодействие электронов пучка с частицами газовой смеси приводит к замедлению скорости движения электронов и уменьшению их кинетической энергии, которая расходуется на возбуждение активной среды квантового усилителя и образование свободных зарядов в результате процесса ионизации частиц среды. Причем на возбуждение активной среды квантового усилителя расходуется практически вся кинетическая энергия пучка электронов Е_е. В результате этого вдоль траектории образуется переохлажденная рекомбинационно неравновесная пучковая плазма с изменяющейся степенью ионизации по длине кюветы от нуля в конце траектории торможения электронов пучка до ее максимального значения в начале траектории. Совмещение траекторий распространения ондуляторного ЭМИ и пучка электронов приводит к ограничению пространства взаимодействия ЭМИ с активной средой квантового усилителя областью, охваченной пучковой плазмой. Изменение интенсивности излучения вдоль оси кюветы (ось 0z) может быть представлено соотношением

где α₀ - ненасыщенный коэффициент усиления, ρ - коэффициент распределенных потерь, а I_s - параметр насыщения активной среды. При распространении ЭМИ в активной среде квантового усилителя навстречу траектории распространения пучка электронов может быть выполнено профилирование удельной мощности накачки активной среды по длине кюветы, при котором достигается условие

При этом эффект насыщения светового потока может быть сведен к минимуму и иметь место лишь на выходе ЭМИ из квантового усилителя.

Спектр люминесценции газовой смеси квантового усилителя является непрерывным. Для сохранения усилительных свойств активной среды квантового усилителя диапазон изменения частоты ондуляторного ЭМИ должен соответствовать спектру люминесценции его активной среды.

Так как активная среда квантового усилителя работает в режиме усиления бегущей волны, то энергия пучка электронов расходуется только на усиление мощности ондуляторного ЭМИ с заранее заданными параметрами.

Разделение траекторий распространения ондуляторного электромагнитного излучения и пучка электронов позволяет использовать оптически прозрачные материалы (стекло, кварц, монокристаллы, полимеры и т.д.) для ввода ЭМИ в квантовый усилитель.

Особенности предлагаемой схемы получения когерентного ЭМИ заключаются в том, что данный источник ЭМИ является генератором с перестраиваемыми параметрами излучения с максимально полным использованием энергии пучка электронов для образования и усиления ЭМИ оптического диапазона. Это достигается путем введения в схему ондулятора, который располагается между ускорителем электронов и кюветой квантового усилителя и является задающим генератором когерентного ЭМИ с перестраиваемыми параметрами. Максимально полное использование энергии электронов для усиления ЭМИ достигается путем использования специальных приспособлений для раздельной трассировки пучка электронов и ондуляторного ЭМИ, которые позволяют осуществлять их раздельный ввод в активную среду и формировать оптимальные условия усиления бегущей волны ЭМИ в квантовом усилителе. В результате этого существенно увеличивается КПД преобразования энергии электронов в ЭМИ и его мощность.

На фиг.1 и 2 изображено заявляемое устройство для реализации способа получения ЭМИ оптического диапазона с введением ондуляторного ЭМИ по траектории распространения пучка электронов (фиг.1) и навстречу его траектории (фиг.2).

Устройство получения электромагнитного излучения оптического диапазона содержит ускоритель электронов 1, кювету 2 с активной газообразной средой, ондулятор 3, расположенный между ускорителем и кюветой, и средство трассировки траектории пучка электронов 4 и траектории ондуляторного электромагнитного излучения 5. Средство трассировки для пучка электронов 4 выполнено в виде электроновода 8 и магнитной системы 9. Металлическое зеркало 6 пропускает пучок электронов, но отражает оптическое излучение. Средство трассировки ондуляторного ЭМИ включает зеркало 6, расположенное между ондулятором и кюветой, окно 7, которое предназначено для вывода оптического излучения из электроновода 8, поворотное зеркало 12 (Фиг.1) или поворотные зеркала 12 и 13 (Фиг.2) и вводное окно 10 кюветы 2.

Кроме того, устройство содержит выходное окно 11 кюветы 2 и металлическую мембрану 14, разделяющую вакуумную полость электроновода от внутреннего объема кюветы квантового усилителя, заполненного газовой смесью высокого давления.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. В ускорителе электронов 1 генерируется пучок релятивистских электронов с энергией Е_е. При взаимодействии пучка релятивистских электронов с реверсивным магнитным полем (гофрированное магнитное поле) ондулятора 3 формируется ондуляторное электромагнитное излучение 5 с угловой расходимостью

где и - средняя скорость и релятивистский фактор электронов пучка, с - скорость света в пустоте. На образование ондуляторного излучения расходуется кинетическая энергия электронов пучка ΔE_e, величина которой зависит от тока электронов пучка J_e, числа периодов ондулятора N и энергии фотонов hω, т.е.

где е - заряд электрона.

Причем

где m₀ - масса покоя электрона.

Максимальный угол отклонения электрона в поле ондулятора равен

где Н - напряженность магнитного поля на оси ондулятора, D - период ондулятора. При условии α=θ (все точки траектории электрона участвует в формировании одного типа собственных колебаний поля магнитотормозного излучения.), в ондуляторе генерируется максимальная мощность электромагнитного излучения в низшей моде ТЕМ₀₀. Соотношение для оптимального сочетания параметров ондулятора имеет вид

которое дает возможность варьировать напряженность поля ондулятора, его период или скорость электрона при максимальной мощности магнитотормозного излучения, частотное распределение которого имеет максимум в области значений

Таким образом, путем изменения периода ондулятора D или энергии электронов пучка, имеется возможность плавного изменения частоты генерации ондуляторного излучения при выполнении условия (2). В спиральном ондуляторе имеется возможность изменять направление вращения плоскости поляризации излучения путем изменения направления тока в обмотке ондулятора.

На выходе ондулятора 3 магнитотормозное излучение 5 и пучок электронов 4 имеют одинаковые траектории распространения. Пучок электронов релятивистских энергий является жестким ионизатором, воздействие которого приводит к разрушению структуры любого материала. Для предотвращения воздействия пучка электронов на оптически прозрачное окно, предназначенное для ввода ондуляторного излучения в квантовый усилитель, и формирования оптимальных условий усиления бегущей волны в квантовом усилителе с помощью специального средства пространственно разделяют траектории пучка 4 и ондуляторного излучения 5. Средством разделения является тонкая полированная металлическая пластина 6, прозрачная для релятивистских электронов. Эта пластина является зеркалом, отражающим оптическое излучение, которое выводится из электроновода через окно 7. В кювету квантового усилителя 2 пучок электронов 4 вводят через мембрану 14, отделяющую вакуумную полость электроновода 8 от газовой среды, а ондуляторное излучение 5 раздельно от пучка - через вводное окно 11. Причем направление распространения электромагнитного излучения в активной среде квантового усилителя осуществляют вдоль траектории пучка электронов в попутном (фиг.1) или встречном (фиг.2) направлениях относительно направления движения электронов пучка. Изменение траектории пучка электронов на участке соединения электроновода и кюветы квантового усилителя осуществляют с помощью магнитной системы 9.

Взаимодействие высокоэнергичных электронов пучка с газовой смесью квантового усилителя приводит к образованию возбужденных атомов и молекул. Причем весь поток релаксации возбуждения среды проходит через метастабильные и резонансно связанные с основным состоянием атомарные уровни, которые в плотных средах активно перемешиваются по столкновительному каналу. Таким образом, в идеальных условиях, вся энергия пучка электронов преобразуется в энергию долгоживущих атомарных состояний. Эта энергия может быть преобразована в энергию ЭМИ, например в эксимерных средах. Необходимым условием для этого является условие резонанса между частотой ондуляторного ЭМИ и частотой рабочего перехода в активной среде квантового усилителя.

В примере реализации заявляемого устройства в качестве ускорителя электронов 1 используют линейный резонансный ускоритель ЛУ-50, рабочие параметры которого опубликованы в журнале «Приборы и техника эксперимента» №3 за 1990 в статье Завьялов Н.В., Иванин И.А., Иньков В.И., Ситников Н.П., Тельнов А.В., Хохлов Ю.А., Галкин А.В., Григоренко А.В. «Получение электронного пикосекундного импульса на сильноточном линейном ускорителе» с. 56-58. Энергия электронов в ЛУ-50 составляет 50 МэВ, а средний ток электронов в импульсе - 10 А. Кювета 2 со смесями инертных газов He(Ne, Ar, Kr) - Xe выполнена в виде полого цилиндра и ограничена на торцах кварцевыми окнами. Ондулятор 3 выполнен из последовательности соосно расположенных тонких соленоидов, создающих на оси реверсивное магнитное поле. На оси ондулятора расположен электроновод 8, представляющий собой отрезок трубы из немагнитного материала с вакуумированной внутренней полостью. Магнитная система 9 представляет собой поворотный триплет. Зеркало 6 выполнено из алюминиевого сплава в виде тонкой пластины с полированной поверхностью отражения. Окно 7 для вывода ЭМИ из электроновода выполнено в виде плоскопараллельной кварцевой пластины. Поворотные зеркала 12 и 13 для трассировки ондуляторного ЭМИ представляют собой плоские пластины с отражающей поверхностью и расположены за выходным окном 7 электроновода и входным окном 10 кюветы 2.

Таким образом, заявляемые способ и устройство для получения электромагнитного излучения оптического диапазона позволяют увеличить КПД преобразования энергии электронов пучка в энергию ЭМИ оптического диапазона, по сравнению с прототипом, как минимум, на порядок, причем имеется возможность плавной перестройки параметров генерации.

Способ включает создание пучка ускоренных электронов, после чего дополнительно формируют ондуляторное электромагнитное излучение, которое вместе с пучком электронов вводят в газообразную активную среду, предварительно разделив их траектории в пространстве, и осуществляют генерацию излучения в газообразной активной среде. Устройство содержит ускоритель электронов, ондулятор и кювету с газообразной активной средой, на выходе ондулятора установлено средство разделения пучка электронов и ондуляторного электромагнитного излучения, средство трассировки для пучка электронов, содержащее расположенный на оси ондулятора электроновод, мембрану для ввода пучка электронов в кювету, разделяющую вакуумную полость электроновода от внутреннего объема кюветы, и магнитную систему для поворота пучка электронов, и средство трассировки ондуляторного электромагнитного излучения, содержащее окно для вывода ондуляторного электромагнитного излучения из электроновода и поворотные зеркала для обеспечения ввода ондуляторного электромагнитного излучения в кювету через ее вводное окно. Технический результат - увеличение КПД преобразования энергии электронов в энергию ЭМИ оптического диапазона. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения электромагнитного излучения оптического диапазона, включающий создание пучка ускоренных электронов и генерацию излучения в газообразной активной среде, отличающийся тем, что после создания пучка ускоренных электронов дополнительно формируют ондуляторное электромагнитное излучение, далее вводят ондуляторное излучение и пучок электронов в газообразную активную среду, предварительно разделив их траектории в пространстве.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ондуляторное электромагнитное излучение вводят в газообразную активную среду навстречу направлению траектории распространения пучка электронов.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ондуляторное электромагнитное излучение вводят в газообразную активную среду по направлению траектории распространения пучка электронов.4. Устройство получения электромагнитного излучения оптического диапазона, содержащее ускоритель электронов и кювету с газообразной активной средой, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенный между ускорителем и кюветой ондулятор, на выходе которого установлено средство разделения пучка электронов и ондуляторного электромагнитного излучения, средство трассировки для пучка электронов, содержащее расположенный на оси ондулятора электроновод, мембрану для ввода пучка электронов в кювету, разделяющую вакуумную полость электроновода от внутреннего объема кюветы, и магнитную систему для поворота пучка электронов, и средство трассировки ондуляторного электромагнитного излучения, содержащее окно для вывода ондуляторного электромагнитного излучения из электроновода и поворотные зеркала для обеспечения ввода ондуляторного электромагнитного излучения в кювету через ее вводное окно.