Способ генерирования направленных пучков электромагнитного излучения Советский патент 1993 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации направленных пучков электромагнитного излучения с помощью электронных пучков высокой энергии, получаемых на ускорителе.

Целью изобретения является сужение углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения.

На чертеже изображена схема двойного двухпериодного ондулятора, позволяющая осуществить предлагаемый способ генерации излучения. Здесь Я w - пространственный период знакопеременного линейно . поляризованного-магнитного поля, перпендикулярного оси Z; Av-пространственный период циркулярного (спирального) магнитного поля, перпендикулярного оси Z.

Способ осуществляют следующим образом.

Электронный пучок направляют вдоль оси Z двойного ондулятора. Амплитуды полей каждого ондулятора ограничивают таким образом, чтобы выполнялось условие дипольности для высокочастотных поперечных колебаний электронов

00

ю

CJ

о го

ах Я« /2лу

0)

где

aj. - амплитуда поперечных колебаний; у - релятивистский фактор электрона Ее/те2.

Амплитуду поля длиннопериодного ондулятора и его период подбирают из условия обеспечения медленных колебаний с пространственным периодом

Aw гкя Я«

(2)

где /с 2 числовой параметр, пропорциональный кратности уменьшения углового размера Пучка излучения и амплитудой Аг

1

2яу

(3)

Число периодов колебаний электрона в ондуляторах на пути воздействия пространственно периодическими магнитными полями подбирают в соответствии с ограничениями

Nw (

ДА 7Г

-1

N

Ј- nw 1

/ел,

Отсюда видно, что в итоге спектральное и угловое распределение суммарного поля излучения электрона будут зависеть от формы его траектории.

5В случае дипольного ондуляторного излучения общее поле излучения имитируется полем движущегося дипольного излучателя или соответственно полем линейной цепочки сфазированных дипольных излучателей.

Ю Оно оказывается направленным и сосредоточено в пределах угла 1/ у. Под заданным углем излучения в излучается определенная длина волны A s( $)c шириной

15

д AS/AS I/NW

(б)

20

где Nw - число периодов в ондуляторе-прототипе.

Для плоского ондулятора

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при генерации направленных потоков электромагнитного излучения. Цель изобретения - сужение углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения. Для этого на пучок электронов высокой энергии, движущейся во внешнем пространственно-периодическом магнитном поле ондуляторов или электромагнитных волн, что обеспечивает быстрые колебания электронов с периодом Я w и амплитудой aj. , воздействуют дополнительно возбужденным магнитным полем с пространственным периодом Я w 2 л Яуу . Это приводит к появлению дополнительных более медленных циркуляционных колебаний электронов с периодом Яю и амплитудой Аг 2 Лд1 Кроме того, приводятся аналитические выражения, регламентирующие выбор периода и амплитуды дополнительного поля и число периодов быстрых и медленных колебаний. 2 з п. ф-лы, 1 ил. (Л

где NW - число периодов A w ;

nw - число периодов .Д ;

ДАв/As - минимальная относительная полуширина спектра излучения, на которую рассчитывается источник излучения.

Для расчета спектрально-углового распределения интенсивности излучения обыч- но пользуются формулой для фурье-компоненты электрического поля излучения в волновой зоне

E(wh

ik//4fn(n-4)/9ll

()2

J (Ut - k г )

где а) - частота излучения;

k (о п/с - волновой вектор;

п - единичный вектор, задающий направление излучения;

/8 - скорость электрона в единицах скорости света;

р - расстояние от ондулятора до точки наблюдения;

NWT - полное время пролета электрона через ондулятор.

В соответствии с (5) поле излучения, генерируемое электроном в результате прохождения через ондулятор, можно представить как сумму полей излучения элементарных излучателей, расположенных вдоль траектории электрона. Суммирование должно проводитьСя с учетом эффекта запаздывания, т.е. с учетом относительного сдвига фаз излучателей, зависящего от скорости электрона и координат излучателя.

Л.Л.(1 +7Г + XZ0)/2 У2

(7)

„с где AW - период ондулятора;

К - постоянная ондулятора, определяемая величиной отклоняющего поля. В ди- польном приближении К 1.

В предлагаемом же способе соблю2Q дении условий (1)-(4) спектр элементарных излучателей остается дипольным, соответствующим высокочастотным колебаниям в короткопериодном ондуляторе.

Низкочастотные колебания при тех же

е условиях приводят к адиабатическому изменению поперечных координат дипольных излучателей в некоторых ограниченных пределах. Область, занимаемая излучателями, становится двумерной, а в общем случае и

4Q трехмерной. Наличие конечных поперечных размеров у источника излучения приводит к появлению интерференционных максимумов и увеличению направленности излучения.

с Сильный эффект достигается в случае, когда излучатели описывают в поперечной к оси Z плоскости не кривую, а некоторую площадь, например, круга. Очевидно, что угловые размеры пучка излучения в этом

CQ случае определяются размером дифракционного максимума

0т 1.2As /D.

(8)

где D - диаметр сечения пучка излучения.

Формула (8) качественно иллюстрирует эффект сужения углового распределения излучения предлагаемым способом за счет увеличения поперечных размеров источника излучения.

В этом способе не нарушаются условия, приводящие к соотношениям (6) и (7), поэтому все ограничения (6), (7) и (8) выполняются одновременно. Это означает, что сужение углового распределения типа (8) должно в силу (7) приводить к сужению спектра излучения, т.е. увеличению монохроматичности.

Конкретный вид спектра излучения рассчитывают по формуле (5) с учетом параметров ондуляторов, формы их полей, размеров и т.п. В частности, двухпериодный магнитный ондулятор, схема полей которого представлена на чертеже, обеспечивает траекторию электронов

x R-sln Д-Z +aSln2

7W

(9)

у R

/ Vuu

где R - амплитуда циркулярных колебаний с пространственным периодом Л I

а - амплитуда линейных колебаний с периодом Aw AW /кл

Используя (9) и (5), можно показать, что спектрально-угловое распределение интенсивности излучения при R 0 приобретает дополнительную зависимость, выражаемую через функцию Бесселя нулевого ранга

1 (AS;R)l(0JAsO) IJ0(0R)I2

(10)

где (, в As , 0) - функция спектрально-углового распределения излучения в линейном ондуляторе без дополнительных циркулярных колебаний (R 0).

При достаточно большом числе периодов ондулятора эта функция отражает зависимость длины волны излучения от угла излучения (7) с точностью (6).

Путем изменения амплитуд поля длин- нопериодного ондулятора можно обеспечить адиабатическое изменение амплитуды низкочастотных колебаний А в пределах О АГ R.

В этом случае при достаточно большой длине ондулятора (nw 1) спектрально-угловое распределение принимает вид

Ji() 1(О.Л..Ч) 1(0.Л.О)1 я I2

(11) где Ji - функция Бесселя первого ранга.

Из (10) и (11) видно, что при достаточно большой амплитуде циркулярных колебаний

0R As(12)

появляется эффект подавления излучения При условии (3) этот эффект будет проявляться в области углов излучения в 1/у . что означает сужение углового и спектраль5 ного распределений излучения одновременно. При этом электрон излучает вдоль своего направления движения (оси Z) в пределах угла (8) с относительной шириной спектра

Ю

AAe/As-CAey/ R)2(13)

Пример конкретного осуществления способа. При выборе параметров прототипа

15 Aw 5см. Nw 100, излучение сосредоточено в пределах угла в - со сплошным спектром от A s 375 А.

В предлагаемом способе при выборе

J (А

параметров спирального ондулятора Л «у ™ 100 см, nw 5. К 1 излучение каждого электрона сосредоточено в пределах в - 1 6 10 рад, а спектр излучение сужается и

„ представляет собой линию с относительной шириной ( AAs/As ) 0,025. Эффект сужения от 100% к 2,5%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить монохроматичность и

п направленность излучения отдельного электрона, что в свою очередь позволяет:

снять ограничения на угловой разброс

«г электронов и использовать электронные пучки с конечным угловым разбросом ( 1/ у) для генерации квазимонохроматического ондуляторного излучения;

.« увеличить приемный угол излучения вплоть до значений 1 / у в соответствии с реальными размерами приемника без влияния на спектр воспринимаемого излучения; снизить энергетический разброс онду.( ляторного излучения электронного пучка до пределов, определяемых лишь энергетическим разбросом электронов в пучке. Формула изобретения 1. Способ генерирования направленсп ных пучков электромагнитного излучения, заключающийся в обеспечении поперечных колебаний электронов высокой энергии с амплитудой a J.G пространственным периодом A w путем воздействия на них просе странственно-периодического магнитного поля ондуляторов или электромагнитных волн, отличающийся тем, что. с целью сужения углового распределения и интегрального по углу частотного спектра излучения, на участке колебаний электронов возбуждают дополнительное магнитное поле ондуляторов или электромагнитных волн с пространственным периодом Л ,обеспечивающее дополнительные циркулярные колебания электронов, период Л w и амплитуда Аг которых удовлетворяют выражениям

Aw 2л Aw и л- ад,1

н у( и / и t у(

адиабатически без нарушения условия ди- польности колебаний

2 яах рт Z Armakc А«/2 яу

Nw ( Л U/iU ) 1 nw 1

(Arm8kc/2 ai)(AVAe)

-1/2

где ДЛв/Лв - минимальная допускаемая энергетическим разбросом электронов относительная ширина спектра, на которую рассчитан источник излучения.

/V.

w