Лазер на свободных электронах Советский патент 1985 года по МПК H01J25/00 

О5

со I Изобретение относнчтя к -(хнико СВЧ и квантозой элек: гро-гики и может быть использовано для гелгерлцин мощ ного и: лучения ультряфиолР;оио) (1 и рентгеновского диапазона длин iioj-in, Известно устройство peJiHTtiBHCTского генератора электрома гиятого излучения СВЧ-диапато}1а 5 содержащее источник электронов, полч-овол,. с..ч-/жащнй пространством ,чсйст1эия объеди11енно11 ; с -{им в o/u-iofi ккуумной оболочке генератор накачки, маг-нитну систему и ч:7ройство нывола энерС1 1 J, В качестве генерач тря накач ки использован карси то , подк.чэтченЕ{ЫЙ к концу mxTii.jpo/j.a,, onpanic к устройству вывела знерп. Пучок электронов, инжектирх- мы; с ма гн ити ой и ч о ля дне и, р d с v р о с тр а н я е т через волно.нод и харсинотрои, -Нлуч е н ие , г е и е i tip у е м о е к а р с i i; кт т р о лом, распростра яется навстречу электронному потоку в крут-Jibfi волновод. Рассеянное .цектрСма (}е излх-чеиие миллиметрового диапазона лроходиТ через карсинотрорг н ичаучается в сво бодное пространство через рупор д. вывода излучения. /iaHFioo устройство обладает рядком с аяественных . К ним сле;гует отнести лизкий KILI l ограничение на минимальр ю д,лилу генерр- руемых колебаний, :;и:зк гй КПД связан с тем; Ч о гучол -..иектронов, проходя через золновол,; от;г,арт часть cBoefi энергии, в ре-ультате чего н карейнотроне из-за наг)у1ие} ия услопиГ резонансього язаимодейсттшя пучка со с трук т ур ой г- я р сн н о тро -г а п р он сходи т срыв гевер г1г.ии, Отлэаниления на минимальную дли(у кочебаний о-бъясняется тем, что д.чргна генерируемых колебаний, iianpHMepj в pOKi-TN-re 2|-колебан1- Й связана с nepnoj oM с.труктуры карсино рона соотно1лением / 4 TI, где Л длина BQjiH.i генер1- руекых колебании; Р- период структуры карсинотрона; у- релятивистский фактор, характеризующий энерги1о -/ijieKTDOHOB пучка. Уменьшение t в( лишь ло определенных пределов, определяе№ 1Х труд ностью изготовлеггия структуры и ее электрической прочностью, Увеличение т влечет за собой большие материальные затраты. Наиболее близким к предлагаемому является устройство в содержащее источник электронов и волновОнД, обра 3 yijruii liiiocipaiiCTBn ц заимс доиствия :),4,nHt HHbie R о.чной вакуумной обол;. с генерагч-1рс м накачки, магнитную систему и устройство вывода энергии, С; 5Ч-гч1акт Г2 . Генератор накачк fiisiiioMnen н виде релятивистского магнотрона. При этом волновод размещен между гпргк)м магнетрона и устройством ;п,:;и)да СВЧ-энергии генератора, катод магнетрона выступает за торец магнетрона в волновод. Выступающий отрезок катода и волновод образуют коаксиальт ый диод, который является источником э.чектронов генератора. )гия из магнетрона т ыводится вбок и по СВЧ-тракту, который соединен с Mai4iPTpoHOM и с концом волновода, нередаетс-Я в пространство взаимоде1:1ствия, т.е. в волпювод. Б:гагч1даря отсутствию влияния рассеян 1ого излучения на генератор накачки КЕЩ устройства увеличен. |,);1нако ограничение, связанное с минимальной ;д.чиной волны генерируемых ко,г,ебаиий, продолжает действовать и . в ланном устройстве. Цель изобретения - повышение час10ТЫ генерируемых колебаний до ульт-рафя1члетовг й и рентгеновской области длин И.ОЛИ . Цель достИгается тем, что в лазере на свобол,ных электронах, содержаiUi M источник электронов и воПновоц, образующий пространство взаимодейстBVfH и одним концом присоединенный к источнику электронов, а на другом конце нмею11,ий окно вывод.а энергии, оОъедиии-нные в одной вакуумной оболочке с генератором накачки, и магнитную систему, источник электронов и ieHCpaiop накачки выполнены в виде гт,;;анарного диода с анодом из металлизированной диэлектрической пленки и катодггым узлом, состояп(им из торцового катода с центральным отверстием и катс)додержателем, внутри кото- jjoro расположена газовая кювета, а 3 боковой стенке катододержателя выполнено выходное окно генератора накачки, связанное с световодным трактом, которого расположен напротив окна вывода энергии. Изобретение поясняется чертежом. Лазер на свободных электронах содержит высоковольтный источник 1 электронов (например, двойная формир тащая линия сильноточного ускорителя) , катодный узел 2 с встроенной в него гаяовой кюветой 3, металлизированн то диэлектрическую пленку 4 волновод 5, образующий пространство взаимодействия, окно для выхода излучения генератора 6 накачки, световодный тракт 7, магнитную систему 8, окно 9 вывода энергии, расположенное в конце волновода, напротив анодной- пленки 4. Устройство работает следующим образом. Импульс высокого напряжения от источника 1 электронов прикладывается между катодом и анодой пленкой 4, выполненной из металлизированного со стороны волновода 5 диэлектрика, и прозрачной для электронного пучка образующегося в результате взрывной эмиссии. Пучок через анодную пленку инжектируется в волновод 5, а его транспортировка через область взаимодействия обеспечивается магнитной системой 8. При прохождении электронов через диэлектрическую пленку 4 за счет поверхностного пробоя и разогрева на ее поверхности образуется плазма, из которой электрическ полем вытягиваются положительные ионы, ускоряются в катод-анодном промежутке, проходят через прозрачную для ионов стенку кюветы 3 и попадают в газовый объем кюветы. Возникшее в результате ионной накачки лазерное излучение через окно для вывода излучения генератора 6 накачки и по световодному тракту 7, через окно 9 поступает в волновод 5 В волноводе 5 лазерное излучение рассеивается на сильноточном электронном пучке, движущемся от анода 4 навстречу излучению. В результате взаимодействия с релятивистским сильноточным электронным пучком лазерное излучение преобразуется в мощное излучение ультрафиолетового и рентгеновского диапазона длин волн которое распространяется в направлении движения электронного пучка, и через окно 9 вывода энергии выводится наружу. Применение в устройстве ионной накачки газового лазера вызвано тем что лазеры с ионной накачкой имеют значительно большой КПД по сравнению с его электронным аналогом. Кроме того, такое конструктивное решение сильноточного диода, а именно помещение в область катододержателя газовой кюветы и использование в качестве анода мeтaлJп зиpoвaннoгo диэлектрика, позволяет одновременно на одной установке получить электронньй пучок и сильноточный пучок ионов. Это преимущество особенно существенно для накачки эксимерных лазеров, генерирующих более KopoTKOBOJmoBoe (фиолетовое и ультрафиолетовое) излучение. В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим случай, когда в качестве источника электронов используется наносекундный ускоритель с параметрами: энергия электронов до 1,5 МэВ, ток пучка до 50 кА, длительность импульса 20-80 не. Применение вкачестве анода алюминизированной полиэтиленовой пл-енки толщиной 10 мкм позволяет получить ионный пучок с током до 5 кА, энергией до 1,5 МэВ, В этом случае, при накачке таким ионным пучком газового лазера из смеси A2-N2 происходит лазерное излучение на длине Д 337-380 нм. Полученное таким образом лазерное излучение передают в область взаимодействия с помощью системы зеркал. В области взаимодействия, представляющей отрезок круглого волновода диаметром 90 мм, при диаметре пучка 30-40 мм возможна транспортировка пучка током не больше предельного равного 6-10 кА, что значительно меньше инжектируемого. В данном случае при толщине анодной пленки 10 мкм и энергии МэВ электронный пучок может инжектироваться с максимальным для рассматриваемого источника электронов током до 50 кА. В области взаимодействия в результате рассеяния излучения на сильноточном пучке при его движении навстречу пучку за счет эффекта Допплера происходит электромагнитное излучение вдоль пучка с длиной волны в 4 у меньше, чем длина волны падающего излучения. В рассматриваемом случае длина волны. уменьшается в 50-60 pais, что будет составлять Я 5-6 нм. Так лазер на свободных электронах позволяет существенно продвинуться в коротковолновую область и генерировать электромагнитные колебания в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне длин волн.

ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, содержащий источник электронов и волновод, образующий пространство взаимодействия и одним концом присо13 WS.i3S5i;A SiXs единенный к источнику электронов, а на другом конце имеющий окно вывода энергии, объединенные в одной вакуумной оболочке с генератором накачки, и магнитную, систему, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения частоты генерируемых колебаний до ультрафиолетовой и рентгеновской области длин волн, источник электронов и генератор накачки выполнены в виде пленарного диода с анодом из металлизированной диэлектрической пленки и катодным узлом, состоящим из торцового катода с центральным отверстием и катододержателем, внутри которого расположена газовая кювета, а в боковой стенке катододержателя (Л выполнено выходное окно генератора накачки, связанное со световодным трактом, выход которого расположен напротив окна вывода энергии.