Плоский электромагнитный ондулятор (его варианты)

1. Плоский электромагнитный ондулятор, содержащий два плоских проводника прямоугольного сечения змеевидной формы, образующих два симметричных полюса, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды и уменьшения периода изменения индукции магнитного поля, два плоских проводника прямоугольного сечения змеевидной формы расположены один над другим в двух слоях, параллельных медианной плоскости.
2. Плоский электромагнитный ондулятор, содержащий первый и второй плоские проводники прямоугольного сечения змеевидной формы, образующие два симметричных полюса, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды и уменьшения периода изменения индукции магнитного поля, в него введены аналогичные первому и второму третий и четвертый плоские проводники, при этом каждый из двух полюсов образован двумя плоскими проводниками прямоугольного сечения змеевидной формы, полюса расположены один над другим в двух слоях, а слои сдвинуты относительно друг друга на полупериод изменения индукции магнитного поля.

Предлагаемое изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электромагнитных излучений в том числе в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ).
Цель изобретения улучшение основных технических характеристик ондулятора, т. е. повышение амплитуды поля, уменьшение периода, а также обеспечение другого вида поляризации излучения. Это достигается за счет введения плоских проводников прямоугольного сечения, имеющих змеевидную форму, расположенных в двух плоскостях, параллельных медианной плоскости, причем размер каждого проводника в плоскости полюса больше размера проводника в перпендикулярном направлении. Модифицировать эту схему можно также тем, что плоские проводники каждого полюса располагаются в двух слоях, разделенных диэлектриком, в каждом слое содержится по два симметричных друг другу змеевидных проводника, причем структура смежных слоев сдвинута вдоль пучка на полупериод, сами полюса идентичны друг другу, но структура их отличается сдвигом вдоль пучка на полупериод.
Сущность изобретения заключается в следующем. Проводники прямоугольного сечения (ленточного типа) располагают в двух плоскостях, параллельных пучку, так что вся площадь полюсов, обращенных к пучку, оказывается заполненной токами, распределенными в этих проводниках перпендикулярно пучку в чередующихся направлениях. Для получения другой плоскости поляризации излучения используется коллинеарная пучку в его области составляющих плотности тока при помощи организации двух симметричных змеевидных траекторий тока, расположенных в плоскости одного слоя и с одним и тем же направлением обоих вводов и выводов тока. В другом слое этого же полюса со сдвинутой на полупериод такой же структурой оба ввода и вывода тока осуществляются в противоположном предыдущему направлению. Коллинеарные пучку вблизи него токи другого слоя обеспечивают таким образом противоположное направление магнитного поля, улучшают симметричность распределения поля ондулятора, компенсируют поля от непараллельных пучку токов.
На фиг.1 изображен один из полюсов ондулятора по основному техническому решению (другой полюс ондулятора расположен симметрично относительно оси (плоскости) пучка); на фиг.2 показан вид сверху на верхний слой нижнего полюса ондулятора по модифицированному варианту (второй слой проводников этого полюса идентичен первому, но имеет сдвиг структуры на полупериод и противоположные направления вводов-выводов тока): на фиг.3 показаны для этого варианта эпюры токов одного из полюсов, взаимодействующих с пучком.
Пучок заряженных частиц 1 расположен посередине между двумя полюсами ондулятора, конфигурация проводников которого приведена на фиг.1-3. В первом варианте ондулятора на ввод и вывод тока отведено для одного полюса по одному проводнику 2 и 3 соответственно, а проводники отделены друг от друга тонким изолятором 4 встречно-штыревого и змеевидного типа. В модифицированном варианте (см. фиг.2) на ввод и вывод тока отведено по два проводника 2 и 3 соответственно, изоляторы 4 симметричны относительно проекции оси пучка на плоскость полюса. Полюс в этом варианте состоит из двух слоев проводника, отделенных изолятором и имеющих идентичную структуру но со сдвигом на полупериод.
Ондулятор работает следующим образом.
В основном варианте чередующиеся в поперечном по отношению к пучку направлении токи образуют переменную вдоль длины ондулятора вертикальную компоненту магнитного поля. Но, в отличие от прототипа, токи распределены по всей поверхности полюса ондулятора. Амплитуда поля ондулятора в этом варианте при d< r, b > w определяется следующим образом:
B= _oj ln(1+h^1-2) + (-1)ⁿ ln 1 + (1) (1) где d толщина проводника, r h/2 расстояние между осью пучка и поверхностью полюса, равное половине зазора между полюсами h, h^' h/ _w, _w период ондулятора, _o магнитная постоянная, j плотность тока, b эффективная ширина полюса ондулятора, по которому протекают только поперечные по отношению к пучку токи. Т.к. токонесущая способность любого проводника характеризуется максимальной плотностью тока, то амплитуду поля для прототипа тоже следует выразить через плотность тока. Для варианта прототипа с проводниками круглого сечения диаметром d будем иметь B₀ ( _ojd/ ) x ( ² d/2 _w) sech( h^'). Учитывая, что в этом случае всегда d < _w/2 и оптимальный размер зазора таков, что h' 0,25, отсюда получаем B/( _ojd/ / ) < 1,86. Но из формулы (1) при той же относительной величине зазора получаем: B/( _ojd/ ) > 1,96. Аналогично нетрудно показать на основе интегрирования формулы Био-Савара-Лапласа для другого варианта прототипа, в котором проводник имеет форму изогнутых фольг (тонкого гофра), а пучок пролетает вблизи его острых кромок, что в этом случае величина В/( _ojd/ ) меньше величины того же параметра для предлагаемого варианта (см. фиг.1) более чем в 2,5 раза даже при ширине ленты 1, из которой изготовлен проводник, большей чем 8 _w.
В качестве конкретного примера рассмотрим ондулятор с периодом _w. 5 мм, плотностью тока в проводнике j (0,76-2,1)x x 10⁶ A/см², толщиной проводника d 0,3-0,5 мм, эффективной шириной полюсов b10 мм, величиной зазора h 3,125 мм. Тогда амплитуда поля на оси ондулятора составит В 0,5-2,3 Т, в то время как для аналогичного последнего примера микроондулятора с проводниками круглого сечения диаметром 0,3-0,5 мм, тем же значением _w./h 1,6 и при той же плотности тока имеем: В 0,3 Т. В модифицированном варианте двухслойная конфигурация встречных (для смежных слоев одного полюса) симметричных (по отношению к проекции пучка) токов создает в соответствии с фиг.2,б знакопеременную поперечную по отношению к пучку и параллельную (в противоположность прототипу) плоскости полюса компоненту магнитного поля. Дипольные поля одного слоя от периферийных токов, непараллельных пучку, компенсируются дипольными полями другого слоя на оси системы благодаря ее симметрии и двухслойной конфигурации. В качестве конкретного примера рассмотрим ондулятор с параметрами: h 3,125 мм (r 1,56 мм), _w5 мм, d 0,5 мм при максимальной соответствующей последнему варианту плотности тока j 2,1 x 10⁶ A/см². Чтобы избежать громоздких вычислений, учитывающих сложную конфигурацию токов (см. фиг.3), вычислим амплитуду поля в предположении, что конфигурация параллельных пучку токов прямоугольная с эквивалентной величиной ширины области, занятой этими токами, равной b. Расчеты показывают, что при h^' < 0,625 имеем: b > 0,08 _w. Тогда можно пользоваться упрощенной формулой для расчета величины амплитуды поля на оси:
B= _cj arctg +
+ arctg + (2)
+ arctg 2 arctg где r_w h^'/2, b^' b/ _w. приведенная эквивалентная ширина проводника. Вычисления по формуле (2) показывают, что при b^' 0,08 и приведенных выше значениях параметров имеем B 0,42 T. Заметим, что всюду толщина изоляционного слоя предполагается много меньшей, чем расстояние между осью пучка и полюсом либо, в случае, когда r > _w, много меньшей, чем период ондулятора. Для приведенных примеров это соответствует обычной толщине лакового покрытия <0,05 мм.
Таким образом, использование ленточных проводников предлагаемой конфигурации позволяет увеличить амплитуду поля, обеспечить другую поляризацию излучения, а также уменьшить период за счет технологической простоты конструкции, использующей тонкие проводящие ленты (сверхпроводящие пленки либо ленты), что затруднительно при изготовлении микроондуляторов на постоянных магнитах из-за хрупкости ферромагнитных материалов.
Кроме того, основной вариант предложенного ондулятора особенно выгоден для систем с ленточными пучками.
Использование: ускорительная техника, генерация электромагнитных излучений, в том числе в лазерах на свободных электронах. Цель изобретения - увеличение амплитуды и уменьшение периода изменения индукции магнитного поля. Сущность: в первом варианте - введение в ондулятор плоских проводников прямоугольного сечения змеевидной формы, образующих два симметричных полюса, расположенных в двух плоскостях, параллельных медианной плоскости, причем размер каждого проводника в плоскости в перпендикулярной плоскости, во втором варианте - каждый полюс образован двумя плоскими проводниками прямоугольного сечения змеевидной формы, полюса расположены один над другим в двух слоях, а слои сдвинуты относительно друг друга на полупериод изменения индукции магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.