Лазер на свободных электронах Советский патент 1989 года по МПК H01J25/00 

g

Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излучения при помощи пучков ускоренных частиц , в частности, к лазерам на свободных эле ктронах. Цель изобретения - увеличение коэффициента усиления лазера на свободных электронах - достигается тем, что источник 5 электронов расположен так, что его электронно-оптическая ось параллельна оси ондулятора 1, и введена дополнительная магнитная система 6 поворота электронного пучка на 180°, вектор индукции В в которой параллелен вектору магнитного поля с индукцией В_о, что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей в пучке ускорения частиц. 2 ил.

Фиг:/

31508298

Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излучения при помощи пучков ускоренных частиц, в частности к лазерам на свободных электронах (ЛСЭ),

Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления ЛСЭ

На фиг.1 показана схема ЛСЭ с поперечным статическим магнитным полем; Q на фиг.2 - траектория электрона в поперечном магнитном поле с индукцией

В,

В устройстве основным рабочим ор- 15 ганом является ондулятор 1 с постоянными параметрами, на которьй накладывается магнитное поле с индукцией Bjj, перпендикулярное его оси 2. Вдоль оси ондулятора распространяется усили--0 ваемый лазерный луч 3. Электронный Лучок 4, генерируемый источником 5 электронов, движется-под малым углом к оси ондулятораJ изменением этого угла достигается согласование про- дольной.скорости электронов с фазовой скоростью одной из комбинационньж волн лазерного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Для увеличения коэффициента усиления предлагается перед попаданием . электронного пучка в рабочую область

ЛСЭ отклонять его магнитно й системой I - .

6 поворота электронного пучка на

угол 180° (в той же плоскости, что и поле BO, что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей в пучке).

Пусть ось Z совпадает с осью ондулятора, а оси X и Y направлены соответственно перпендикулярно и параллельно полю BQ. Отклонение частиц происходит в направлении X, поэтому без ограничения общности достаточно рассмотреть движение только в плоскости (XOZ). Обозначим через v ско40

В точке фазового синхронизма Z продольная скорость электрона

v,-Cl-;i-- r) -«l-M-г

VK

.ili

. .

с4

откуда получаем

у у J. §:. Г 9 П

: 0 . 2еВ, с с

2

(2)

ш-с 1

- - - J

эффективное усиление лазерной волны происходит лишь вблизи точки фазового синхронизма, вдали от нее детали траектории не играют роли. По этой причине для пучка электронов в целом должно вьтолняться -условие

у - Y 1 г1

/Viol КС .ММН

(3)

где d - диаметр лазерного пучка (см, фиг.2 заштрихованная область схематически, изображает множество точек (Х,, Z))

В противном случае часть электрот нов будет проходить через точку фазового синхронизма вне области, занятой электромагнитной волной, и не смо- 45 .жет усиливать последнюю..

i Рассмотрим вначале ситуацию, ког-. да магнит 6 отсутствует. Полагая, что в пучке электронов существует угловой (J 0и энергетический л разброс, рость электрона, а через у, фазовую-..v„ Р , 50 а такжеразброс по координате 4Х, и

скорость соответствующей комбинацион-- - -

ной волны-, при этом предполагается полагая , Л б « Т вариацию

вьтолненным условие v А -cv 1. Ввиду„

f - координаты Х« представим в виде того что энергия электронов зна- . .

чительно превышает их массу покоя т,-- i 4 „

а угол отклонения частиц от оси пред- еРХ, (( Хц + 2(1 - -) + -т- - -I- полагается малым (v v Oj поперечная

. СЬ. v .

2еВо

координата X и скорость v частицы в точке Z приближенно равны

2еВ,

,

у.еВо,, Г

. еВо„

(1)

о

- соответственно поперечная координата и скорость электрона на влете в рабочую область ЛСЭ (, см. фиг.2).

фазового синхронизма Z скорость электрона

v,-Cl-;i-- r) -«l-M-г

VK

.ili

. .

с4

откуда получаем

у у J. §:. Г 9 П

: 0 . 2еВ, с с

2

(2)

ш-с 1

- - J

эффективное усиление лазерной волны происходит лишь вблизи точки фазового синхронизма, вдали от нее детали траектории не играют роли. По этой причине для пучка электронов в целом должно вьтолняться -условие

у - Y 1 г1

/Viol КС .ММН

(3)

40

где d - диаметр лазерного пучка (см, фиг.2 заштрихованная область схематически, изображает множество точек (Х,, Z))

В противном случае часть электрот нов будет проходить через точку фазового синхронизма вне области, занятой электромагнитной волной, и не смо- 45 .жет усиливать последнюю..

i Рассмотрим вначале ситуацию, ког-. да магнит 6 отсутствует. Полагая, что в пучке электронов существует углоs i 2-

2еВ,

Ё-СЛ-хо) Vxo-c -Ar.

2еВвС

еВ,с

средние значения энергии и начальной поперечной скорости электронов: 8 ,

,

.

|с/ Хо kdx.

ДХ

следует в первую

Минимизируя величину

(Х..- ,и «кс - )

.очередь стремиться исключить члены первого порядка малости по , /, это удается сделать только для слагаемого с , положив начальный угол влета v.,..0. После этого

rfX.

,.,,.,,(, . Yt, . V j.l|. .

(jvxo):

r -i

(5)

Из (5) получаем следующую оценку на допустимьш разброс параметров пучка: 2dXid, (46) 2еВд ,

2(1-Р) +ф,-1. .d.

Далее, оптимальные значения пара- метров установки состаляют приближент с /. „ .-, /1 v но -р-(1 - -), (1 - --),

где Е JJ - амплитуда напряженности поля в лазерной волне,

С учетом того, что качество пучка принято характеризовать эмиттансом и 4Х-Дв, окончательно получаем следующие ограничения ,

(6)

. ) k- т (. 2

й.;

При введении отклонения пучка по формуле (9) находим: лЕ i 10 Мэв,

По сравнению с прототипом достигается улучшение в 30 раз. ТребуеРассмотрим теперь результаты, полученные при осуществлении предлагае- мого способа накачки. Как известно, радиус поворота электрона в магнитном поле В пропорционален его поперечному 55 индукция поля в поворотном магци импульсу (в данном случае поперечный те составляет 10-20 кГс, импульс совпадает с энергией частицы): . Для сравнения приведем также ограничения на качество пучка при раR /еВ.боте ЛСЭ в режиме многократного пе8298

Таким образом, пройдя через пово- ротньй магнит, пучок приобретает качественно иную структуру: смещение частиц по точке влета Х оказывается коррелировано с их энергией . Это позволяет-исключить из сГХ. также и члены первого порядка малости по ., В самом деле, при наличии разворачива- 10 ющегося поля В имеем:

(, ).BVj.

сГх.ГХ(,

еВ.

/ 2ёв

m-(fErc (ЛСхс)

2ёв:

2еВ,с

(7)

Для того чтобы происходила необходимая компенсация слагаемых, следует выбрать поле В равным

В 4В,

V4.

(8)

2(1 - -fr)

(направление В совпадает с направлением поля Вд).

При учете (8) вариация точки фазового синхронизма р.авна

m

(«/) с

/(«

2еВ„

,c

40

Легко видеть, что ограничение на эмиттанс в этом случае совпадает с (6), а ограничение на Энергетический .разброс равно:;

(2еЕ, d) . (9)

Пример. Зададимся следую11Ц1ми значениями параметров установки: Ер

ЗИО В/см; ,3 см; 50 Мэв. Мощность лазерного пучка при этом составляет около 3 ГВт длина волны генерируемого излучения - несколько д5 микрон (при периоде ондулятора в несколько сантиметров), индукция -маг- нитного поля внутри ЛСЭ B(j(1-2) Гс. В отсутствие отклонения пучка ограни- -чения на параметры пучка составляет 50 величину k ,3 см- мрад; й 0,3 Мэв,

При введении отклонения пучка по формуле (9) находим: лЕ i 10 Мэв,

По сравнению с прототипом достигается улучшение в 30 раз. Требуе55 индукция поля в поворотном магци те составляет 10-20 кГс, : . Для сравнения приведем также ограничения на качество пучка при раресечения точки фазового синхронизма:

2iXid-.( ;

,,.(||.i),« .

отличающийся тем что, с целью увеличения коэффициента усиле- . ния, источник электронов расположен

так, что его электронно-оптическая ось параллельна оси ондулятора и введена дополнительная магнитная система поворота электронного пучка на Для Д 2 мкм поучаем: k 8° индукции В которой па- 0,2 мм.мрад, 21 ;СО,5 Мэв, по срав-Ю Раллелен В, при этом вьшолнено соот- нению с этим режимом работы, как виношение

ДИМ, достигается увеличение по допустимому энергетическому разбросу в раз, по эмиттансу в л/ 15 раз. Формула изобретения 5

Лазер на свободных электронах, содержащий источник электронов, пространство взаимодействия с ондулятором, систему для создания в пространстве взаимодействия поперечного статичес- 0 кого, магнитного поля с индукций В, Тл,

Фиъ.2

так, что ось пара дена доп ма повор 8° Раллелен

ношение

4В

2(1

-.

Т

)

v

та g

-фазовая скорость комбинационной волны, М/С}

-масса электрона, кг

-средняя энергия элек-рронов в пучке, Дж}

-скорость света, м/с.