ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ Советский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к устройствам для генерирования и усиления электромагнитных волн миллиметрового диапазона при помощи вакуумных устройств, использующих мощные электронные потоки.

Целью изобретения является повышение КПД лазера.

Цель достигается тем, что в лазере на свободных электронах совмещены в одном элементe открытый резонатор, ондулятор и циклический ускоритель, причем ускоряющая система циклического ускорителя размещена в центре резонатора вне каустики в общем для ондулятора и ускорителя магнитном поле.

При такой конструкции используются следующие взаимосопряженные решения.

1. Использование замкнутого "бесконечно циркулирующего" рабочего электронного потока обеспечивает в отличие от прототипа более глубокую обратную связь как по полю кольцевого резонатора (стоячая волна), так и по электронному потоку (модулированный поток циркулирует по замкнутому с максимальной обратной связью).

2. Использование в ускорительной части простого и компактного циклического СВЧ ускорителя, совмещенного с ЛСЭ, т.е. использующего один и тот же объем и для ускорения, и для торможения электронного потока.

3. Использование в выходной части ЛСЭ ондулятора и контура такой конструкции, которые сопрягаются с кольцевым рабочим электронным потоком.

Изобретение поясняется фиг. 1, 2, на которых изображены варианты предлагаемого прибора.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 отражающая поверхность кольцевого (бочкообразного) открытого резонатора, использующего рабочую моду типа "шепчущей галереи" (МШГ) с внутренней каустикой 5; магнитомягкие вставки 2, создающие периодическое магнитное поле и размещенные в теле резонатора 1, 3 источник электронов (катод) циклического СВЧ-ускорителя, размещенный между электродами 6; 4 область, занятая электромагнитным полем основной рабочей частоты открытого резонатора и ограниченная поверхностью 1 и каустикой 5; 6 электроды циклического СВЧ-ускорителя (дуанты), создающие ускоряющее СВЧ-поле низкой частоты f_н при помощи резонатора 7, питаемого от источника 8; 9 спиральная орбита выхода электронов на стационарную орбиту 10; 11 область, занятая электронным потоком, сопряженным с областью 4; 12 источник напряжения, управляющего введением электронного потока в пространство ускорения; 13 вывод энергии выходного сигнала частоты f_в, связанный с резонатором 1 элементами связи 14; 15 вектор магнитного поля В, используемого и для работы циклического ускорителя, и для ЛСЭ.

На фиг. 2 представлен вариант предлагаемого устройства с внешним источником 16 предварительно ускоренных электронов. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: металлическая фольга 17 (сетка), проницаемая для электронного потока и не проницаемая для СВЧ-поля частоты f_в; 18 щели периодической структуры на поверхности резонатора 1.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

При приложении СВЧ-поля частоты f_н к электродам 6 от источника 8 и при условии отпирания эмиссии с катода 3 напряжением от источника 12 электроны начинают двигаться по раскручивающейся спирали 9. Этап ускорения электронов в циклическом ускорителе с учетом изменения их массы и необходимости изменения магнитного поля вдоль радиуса подробно рассмотрен в литературе и применительно к данному случаю отличий не имеет. Отличием является лишь то обстоятельство, что при увеличении радиуса орбит до величин больших, чем радиус электродов 6, они выходят за их пределы (из-за отсутствия задней стенки у дуантов) и продолжают ускоряться краевым СВЧ-полем, которое существует и за пределами радиуса дуантов.

На фиг. 1 представлен "слаборелятивистский" вариант предлагаемого устройства, в котором изменение массы электрона с увеличением его энергии может быть компенсировано мерами, отработанными для циклотронов ("слабая" и "сильная" фокусировки, применение полюсных наконечников, создающих периодическое поле).

В "сильнорелятивистском" случае (фиг. 2) предварительно ускоренный до рабочей скорости электронный поток можно ввести извне, избежав тем самым необходимости соблюдать условия резонанса при большом диапазоне изменения массы. В случае фиг. 2 как и в случае фиг. 1, величина рабочего кольцевого тока, осуществляющего преобразование энергии, может быть во много раз больше, чем величина инжектируемого тока. В соответствии с этим основное энергопотребление системы и в случае фиг. 2 осуществляется в цепи СВЧ питания на частоте f_н, а не в цепи инжекции.

Размеры дуантов необходимо выбирать так, чтобы они не попадали в область поля 4 открытого резонатора но чтобы краевое поле электродов 6 проникало в область 4. Таким образом, необходимым условием работы прибора является существование такого кольцевого объема, в котором одновременно существуют поля частот f_н и f_в.

В соответствии с принципами работы ЛСЭ в этом же объеме должен находиться и рабочий электронный поток, имеющий поступательную (в традиционном случае) или вращательную (в нашем случае) составляющую движения, а также колебательную составляющую движения вокруг среднего значения.

В традиционных ЛСЭ колебательная составляющая движения обеспечивается использованием знакопеременного магнитного поля при помощи специального устройства ондулятора. В случае использования циклического ускорителя, использующего магнитное поле с периодической составляющей, необходимость в специальном ондуляторе отпадает его функцию выполняет основная система фокусировки электронного потока. В общем же случае ондулятор необходимо ввести и в систему, например, в форме традиционных шунтов (2) из магнитомягкого материала, периодически уменьшающих величину основного магнитного поля В (15). В результате действия периодического магнитного поля электронный поток движется по траектории, имеющей колебательную составляющую с периодом установки шунтов (2). Процессы взаимодействия такого потока с полем открытого резонатора в области 4 такие же, как и в традиционных ЛСЭ. Шаг d, их число N, радиус резонатора R(d d ) должны удовлетворять обычному для ЛСЭ отношению
λ_в= где λ_в= с скорость света, а γ релятивистский масс-фактор γ W энергия электронов (в мегаэлектронвольтах) на стационарной орбите 10.

Таким образом, на стационарной орбите 10 выполняются традиционные условия синхронизма, осуществляется самовозбуждение ЛСЭ на частоте f_н и отбор энергии от электронного потока на этой частоте в течение каждого оборота. В течение каждого оборота имеет место и ускорение СВЧ-полем частоты f_н, вследствие чего возможен баланс энергии и существование стационарной (квазикольцевой) орбиты.

Из открытого резонатора 1 энергия выводится во внешнюю цепь выводом энергии (13), который связан с резонатором элементами связи (14).

Условия самовозбуждения ЛСЭ предлагаемой конструкции по сравнению с обычным ЛСЭ улучшены по следующим причинам.

1. Кольцевой поток многократно (а не однократно, как в обычном линейном ЛСЭ) подвергается воздействию СВЧ-поля частоты f_в и поля ондулятора. Вследствие этого улучшаются его группировка, условия самовозбуждения и КПД.

2. Электронный поток на стационарной орбите сохраняется без его расходования на основной рабочий процесс и может быть значительно больше, чем ток эмиссии катода. Увеличить этот ток до пределов, обеспечивающих самовозбуждение системы, при многократном прохождении легче, чем обеспечить однократное прохождение через ондулятор большого линейного тока.

Расходование тока только на случайные потери и несовершенство фокусировки, улучшенная его группировка из-за многократного использования, лучшая по сравнению с другими монохроматичность потока цилиндрического ускорителя (столь необходимая для ЛСЭ) служат предпосылками увеличения КПД предлагаемого прибора.

Основная цель изобретения упрощение достигается путем использования известного циклического ускорителя с измененными дуантами внутри самого контура открытого резонатора, в той его области, которая свободна от рабочего поля типа МШГ. Прибор в целом, вместо громоздкого многометрового устройства, может быть выполнен в форме обычного электровакуумного прибора типа магнетрона с радиусом резонатора R 8 см (см. ниже).

Для оценки возможных его параметров необходимо принять во внимание, что энергия электронов на стационарной орбите, ее радиус и величина магнитного поля В связаны соотношением
R
Оценки по приведенным формулам позволяют, в частности, получить следующую совокупность параметров:
1. Длина волны СВЧ-сигнала, питающего ЛСЭ, λ_н 10 см
(f_н 3000 МГц)
2. Длина волны выходного СВЧ-сигнала λ_в 0,97 мм 1 мм
(f_в 300 ГГц)
3. Величина рабочего магнитного поля В 0,11 Тл
(средняя ориентировочная величина)
4. Энергия электронов на стационарной орбите
W 2 ( γ 5)
5. Величина стационарной орбиты R7,7 см.

6. Количество магнитных шунтов N 10.

7. Период ондулятора d 4,85 см
Предлагаемый прибор при небольших конструктивных изменениях можно представить и как типичный нерелятивистский прибор генератор дифракционного излучения (ГДИ). В этом случае все элементы предлагаемой системы, изменяясь количественно, выполняют прежние функции, но на поверхности резонатора 1 (фиг. 2) необходимо нанести периодическую структуру 18, электрически взаимодействуя с которой, электронный поток создает дифракционное излучение (в терминах этого класса приборов). Переменное магнитное поле ондулятора, отсутствующее у традиционных ГДИ, при этом можно не исключать, позаботившись лишь о том, чтобы переменные составляющие из электрического и магнитного поля обеспечивали синхронные составляющие силы, действующей на электронный поток. Все рассмотренные выше преимущества использования в ЛСЭ замкнутого кольцевого электронного потока переходят и к ГДИ с кольцевым потоком.

В общем случае в предлагаемом приборе частоты f_н и f_в не связаны и, отличаясь очень сильно (в рассмотренном выше примере в 100 раз), практически не могут быть точно кратными.

Если же по каким-либо причинам эту кратность можно взять небольшой (например, 8 8), то величина высших гармоник частот f_н в пространственном заряде на частоте f_в может быть заметной и может играть роль сигнала, синхронизирующего выходной сигнал. В этом случае устройство превращается в умножитель частоты с сохранением жестких фазовых соотношений между входным и выходным сигналами, что в ряде радиотехнических применений может дать преимущества. Например, стабилизация частоты питающего СВЧ-сигнала обеспечит стабильность и выходного сигнала миллиметрового диапазона.

Изобретение относится к устройствам для генерирования и усиления электромагнитных волн миллиметрового диапазона. Цель изобретения повышение КПД достигается совмещением в одном элементе открытого резонатора, ондулятора и циклического ускорителя, причем ускоряющая система циклического ускорителя размещена в центре резонатора вне каустики в общем для ондулятора и ускорителя магнитном поле, направленном вдоль оси резонатора. В качестве варианта исполнения предусмотрена кратность частоты поля ускорителя и выходного высокочастотного сигнала. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, содержащий ондулятор, цилиндрический ускоритель и открытый бочкообразный кольцевой резонатор, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, ускоритель размещен в центре резонатора вне его каустики. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения когерентности между выходным высокочастотным сигналом и питающим ускоритель низкочастотным сигналом, их частоты выбраны кратными. 3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и уменьшения габаритов, магнитная система ондулятора и ускорителя выполнена общей.