Лазер на свободных электронах Советский патент 1993 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электронной технике, в особенности, к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний, и может быть использовано как генератор шума в измерительно технике, а также в качестве технологического генератора электромагнитного излучения.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в электронном приборе, содержащем систему накачки, электродинамическую систему генерируемого (усиливаемого) сигнала, кол-, лектор электронов, согласно изобретению, источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного (биэнергетично- го) электронного потока.

Выполнение источника релятивистского электронного пучка по указанной схеме дает возможность использовать в устройстве в качестве рабочего механизма эффект двухпучкового супергетеродинного усиления электромагнитных волн.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая сх ема электронного прибора (модификация 1 - генератор флуктуационных .колебаний); на фиг. 2 - структурная электрическая схема электронного прибора (модификация 2 - генератор когерентных колебаний); на фиг. 3 - компоновка прибора по модификации 2.

В качестве узлового элемента заявляемой конструкции, в том числе и устройства, представленного на фиг. 1, служит источник двухскоростного электронного пучка, который включает в себя электронные пушки 1 и 2, используемые как инжекторы для ускорителя 3. В качестве электронных пушек при- меняют как электронно-оптические системы, на основе термо- либо фотоэмиссионных катодов, создающие прецизионные электронные пучки, так и ускорители прямого действия на основе взрывных като00

о ю о

со

N

СлЭ

дов. Система накачки 4 может иметь многочисленные варианты схемного исполнения, как по типу используемого поля накачки, так и ее компоновки. Наиболее перспективны здесь стандартные магнитные ондуляторы (в том числе и микроондуляторы) и системы лазерной накачки, т.е. системы с накачкой периодически реверсивным магнитным полем либо полем электромагнитной волны. Система накачки имеет односекционную либо многосекционную компоновки. В последнем случае она содержит относительно короткие секции накачки, разделенные длинными пролетными промежутками. В генераторах { луктуационных колебаний од- носекционные конструкции системы накачки, однако, более предпочтительны. Электродинамическая система генерируемого сигнала 5 служит для вывода генерируемого излучения частоты од из устройства (например, в форме цветного шума). Она выполнена в виде оптической либо квазиоптической линии. Для повышения КПД прибора и уменьшения уровня тормозного рентгеновского излучения коллектор электронов 6 может иметь многоступенчатую схему исполнения и содержать деускори- тельную секцию, т.е. ускорительную секцию, работающую в режиме торможения электронного пучка. Деускоритель и ускоритель выполнены по одной из известных схем. Наиболее перспективны здесь линейные индукционные и электростатические типы конструкций-. Причем конструкция электронных пушек-инжекторов такова, что одна из них имеет в центральной части окно, через которое вводят электронный пучок 7 таким образом, чтобы на выходе другой пушки он совместно с электронным пучком 8 образовывал бы двухскоростной электронный пучок 9.

Генератор когерентного электромагнитного излучения представлен на фиг. 2. В данном примере проиллюстрирована иная возможная конструктивная модификация конструкции источника двухскоростного пучка. Здесь 1 и 2 - электронные односко- ростные ускорители с пушками-инжекторами, а 3 - система сведения двух односкоростных пучков в один двухскорост- ной. Устройство последнего типа широко используют в ускорительной технике. Система накачки 4 может иметь как одно- так и многосекционную конструкцию. Для данного устройства наиболее перспективны двухсекционные конструкции пролётно- клистронного типа. Коллекторный узел может содержать устройство разделения электронных пучков по энергиям 5. аналогичное по принципу действия масс-спектрометрической системе. В этом случае токо- осаждение осуществляется в двух коллекторах 6 и 7 соответственно. В представленном примере электродинамическая система сигнала 8 выполнена в виде резонатора Фаб- ри-Перо. При малых относительных раздвижках скоростей электронных пучков 9, 10 коллекторный узел может вместо системы разделения пучка 11 содержать одно

Q поворотное устройство и один коллектор. При замене последнего на оптическую линию конструкция может быть использована в качестве усилителя когерентного электромагнитного излучения субмиллиметрового 5 видимого излучения.г

Пример конструкции генератора, выполненного по схеме, представленной на фиг. 2, приведен на фиг. 3. В качестве основы здесь выбрана установка компактного

0 лазера на свободных электронах, построенная в Калифорнийском университете, Санта-Барбаре (США). Модернизация указанной известной установки произведена в соответствии с существом изобретения.

5 Здесь односкоростные электронные пушки 1, 2 используют в качестве инжекторов для двух ускорительных трубок 3, 4 соответственно (два параллельных канала в электро- статическом ускорителе). Элементы 5, 6

0 используют для транспортировки и поворотов каждого из односкоростных электронных пучков. В качестве системы накачки 7 использованы одно- либо двухсекционные микроондуляторы (в последнем случае при5 менена описанная выше пролетно-клист- ронная схема системы накачки) на основе самарий-кобальтовых магнитов. Системы 8, 9 служат для поворотов, транспортировки и деускорения (торможения) отработанного

0 двухскоростного пучка, для осаждения которого предусмотрен многоступенчатый коллектор 10, В данный блок узлов может быть введено устройство разделения электронных пучков по скоростям. В таком случае

5 конструкция содержит по две системы поворотов, транспортировки и деускорения, а также два коллектора. Весь электронно-оптический тракт рассчитан на прохождение двух электронных пучков с энергией 2 МэВ

0 и током 2 А каждый. Компрессию электронного пучка на входе системы накачки и транспортировку его через область взаимодействия электронного прибора осуществляют.с помощью набора известных

5 электронно-фокусирующих систем (квадру- польных и секступольных линз, соленоидов и др.). Питание ускорительной и деускори- тельной трубок осуществляется от генератора Ван-Дер-Граафа Н, питание диагностической аппаратуры, а также управляющей аппаратуры в высоковольтной части установки - от генератора 12, приводящегося в движение гибким пластиковым валом 13, Электродинамическая система сигнала 14 выполнена в виде резонатора Фабри-Перо либо оптической линии. Электродвигатель 15 предназначен для возвращения пластикового вала, соединенного с генератором. Лазерная часть электронного прибора с набором вспомогательных сие- тем размещена в объеме кондуктора 16, к которому подключен генератор- Ван-дер- Граафа. Весь объем установки, ограничен- ный танком 17, заполнен газом, обладающим высокой электрической проч- ностью, например, шестифтористой серой. Исключение составляет лишь объем электронно-оптического тракта, где поддерживают высокий вакуум.

Устройство работает следующим обра- зом.

Рассмотрим конструктивный вариант, представленный на фиг. 1 (генератор флук- туационных колебаний). Двухскоростной электронный сильноточный пучок 9, сфор- .мированный из электронных пучков 7, 8, создаваемых двухскоростным инжектором 1, 2, поступает на вход ускорителя 3, который в данной конструкции имеет достаточно высокий темп ускорения (не менее 3-5 МэВ/м). Преждевременное возбуждение двухпотоковой неустойчивости в пучке в процессе ускорения для стандартной системы подавлено тем, что резонансная частота двухпотоковой неустойчивости здесь меняется с ростом энергии пучка, так что случайная флуктуация фиксированной частоты может усиливаться только в течение малого промежутка времени. После выхода из ускорителя 3 двухскоростной пучок 9 на- правляют в систему накачки 4, где для него реализуют услоаия возбуждения двухпотоковой неустойчивости. Последнее характеризуется малосигнальным инкрементом усиления

Г- сов

2су$/2 Vi -лГ и резонансной частотой

(i-HT2).

® где (Ув - плазменная частота двухскоростного пучка;

уо - релятивистский фактор, усредненный по.рбоим пучкам,

с - скорость света в вакууме,

Ау - разность релятивистских факторов односкоростных пучков.

В качестве начального возмущения для двухпотоковой неустойчивости служат волны пространственного заряда (ВПЗ), возбуждаемые в пучке в результате нелинейного параметрически-резонансного взаимодействия электромагнитных шумов системы частоты (Oi и поля накачки с электронами. В случае Н-убитронной накачки параметрически-резонансная частота может быть легко вычислена fyo 1) по формуле

ОУ2

4лс$

О)

(3)

5 10 15 20

25 303540 45

50

55 где Л- период ондулятора;

of - частота ВПЗ, возбуждаемых при параметрическом резонансе.

В случае наложения двух резонансов (двухпучкового и параметрического), т.е. при (ai о - О), одна из ВПЗ, возбуждаемых за счет параметрического механизма, эффективно усиливается за счет двухпотоковой неустойчивости. В свою очередь, взаимодействие нарастающей ВПЗ с полем накачки приводит к генерации (за счет пара- , метрической связи волн) нарастающей электромагнитной волны сигнала о% и т.д. При больших усилениях ВПЗ и при некоторой оптимальной малой растройке резонансных частот 0)2, а} и со (удовлетворяющей критерию Чирикова) в системе в дальнейшем происходит стохастизация процесса усиления - устройство переходит в режим работы генератора флуктуационных колебаний. Генерируемый сигнал од выводится из устройства посредством электродинамической системы 5, а отработанный электронный пучок 9 осаждается на коллекторе 6.

Приведем некоторые оценки. В качестве инжекторов 1 и 2 (фиг. 1) выберем сильноточные диодные пушки;обеспечивающие в области взаимодействия устройства значения плазменной частоты двухскорсетного пучка сов 1012 . В качестве системы 3 применим линейный индукционный ускоритель на энергию 5 МэВ, а для накачки - микроондулятор, описанный в, напряженность магнитного поля 10 кГс, период- 4 мм, длина - 80 см. После вычислений получаем coo. 5Х1014 , что соответствует длине волны Хг 4 мкм, Г 0,5 см , погонный линейный коэффициент усиления 1,8 10 раз/м. При этом полагалось, что разброс электронов по энергиям на выходе ускорителя составил величину 1%, что вполне реально, При (уже реализованных в аналогичных однопучкор.ых системах) импульсная мощность выходного флуктуаци- онного сигнала может составить величину 10 Вт (в случае использования килоам- перных пучков).

Работа устройства, приведенного на фиг. 2 и фиг. 3, сходна с работой вышеописанного. Отличие состоит в том, что данная система работает в режиме генератора (с самовозбуждением) либо ускорителя когерентных колебаний. Здесь реализованы условия, при которых стохастизация генерируемого (усиливаемого) сигнала не происходит. Это достигается при не слишком высоких усилениях в односекционных системах. В случае-высокого усиления исполь- зована клистронно-пролетная конструкция системы накачки, где основное усиление происходит на пролетцом участке системы и наложение двух нелинейных резонансов места не имеет. Секции же модуляции и энергоотбора выполнены достаточно короткими, так что процесс стохастизаций усиливаемого сигнала развиться не успевает. Для иллюстрации достоинств устройства приведены данные расчетов. Ориентируемся на конструкцию с параметрами: энергия - 2 МэВ, ток .сдвоенного пучка - 2x2 А В односекционной системе для накачки выбираем вигглер с амплитудой поля накачки 500

Гс, периодом 1 мм, длиной 20 см. Радиус пучка полагаем равным 0,4 мм. Тогда для коэффициента усиления находим величину 2,6 раз, т.е. 260% за один проход, В аналогичной однопучковой системе соответственно получаем величину усиления 12-15% за один проход. Переход к пролетно-клистрон- ной системе позволяет поднять коэффициент слабосигнального усиления до значения 10 и выше, что может быть реализовано(в принципиальном плане) с помощью прототипа лишь в огромных установках размерами в сотни метров. Здесь же габариты установки составляют величины 6x1,5 м (см. фиг. 3), соответственно резко снижается ее вес.

Формула изобретения Лазер на свободных электронах, содержащий расположенные последовательно источник релятивистского электронного пучка, систему накачки, электродинамическую систему генерируемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот, повышения устойчивости его работы при снижении веса и габаритов, источник релятивистского электронного пучка выполнен двухскорост- ным.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний. Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов - достигается тем, что в лазере источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного релятивистского электронного потока. Достижение цели изобретения подтверждено расчетами. 3 ил.

JL/II JL JLJL

Фиг. 1

Фиг. 2