Лазер на свободных электронах

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 40(19) (11) 4 Н 01.12 СССРРЫТИЙ БРЕТЕ САНИЕ ВИДЕТЕЛЬСТ К АВТОР(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.КироваГс),ц = 4,3 10дР 1(фо см,учка, А/см ги лектрона,твенно-не- ондуляФо) (57 А СВОБОД соосно р пушку, кным онду асположе ЛАЗЕРржащийроннуюспирално имздания НАХ, содные элек транственнополя ондуляовод со оаксиал ид для с ого пол продоль т л и ч/с целью повышения эфрации, между электспиральным ондулятодополнительная катуш здающая поперечноепричем упомянубираются в следующих я тем, что,ективности генонной пушкой и ктор,( -) м расположе ка длинои 1, , со магнитное поле Ь тые величины вь ов,свободном корость электркорость светаространстве. ререлах: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И НЫХ ЭЛЕКТРО асположенруглый воллятором и нный солено ого магнита ю щ и йь радиус волновод3 - плотность тока Е - полная энер я эМэ В,1, - период пространсоднородного поляра, см;В, - амплитуда проснеоднородноготора, Гс;Я. - циклотронная частотрад/с;3, - плазменная частота,- релятивистский фаИзобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов коротковолнового диапазона.Известен лазер на свободных электронах на основе линейного ускорителя. Лазер характеризуется тем, что .релятивистский электронный пучок инжектируют в пространственно-пери-, одическое поперечное магнитное поле.Недостатком лазера является низкая мощность и эффективность СВЧ-излучения из-за малой запасенной энергии слаботочного электронного пучка линейного ускорителя.Наиболее близким техническим решением является лазер на свободных электронах с сильноточным электронным пучком ускорителя прямого действия. Содержит электронную пушку, круглый волновод с размещенным на нем спиральным ондуляторбм, который обеспечивает пространственно-периодическое магнитное поле, соленоид, создающий .однородное продольное магнитное поле, ориентированное вдоль направления движения пучка, и необходимое для транспортировки сильноточного электронного пучка в волноводе. Кроме того, присутствие сильного продольного магнитного поля приводит к увеличению коэффициента усиления и мощности излучения при выполнении условия резонанса волны накачки, роль которой играет поперечное поле спирального ондулятора, с циклотронной частотой вращения электронов пучка в продольном магнитном поле. Величина продольного магнитного поля В (Гс) в этом случае в зависимости от полной энергии электронов Е (МэВ) и периода Г (см) поля ондулятора задается ,в виде Ь 72, 14 10 "(1 - 1/4 Р ) 7, Е /Г . (1)Указанный лазер позволяет получать импульсную мощность до 35 МВт в миллиметровой области СВЧ-диапазона при эффективности порядка 2,57. вблизи значения магнитного поля, где выполняется условие .циклотронного резонанса с волной накачки,Существенным недостатком такого лазера является то, что при выполнении указанного циклотронного резонанса с волной накачки траектории50 Ч - скорость электронов, с - скорость света в свободномпространстве.55 Устройство иллюстрируется чертежом, где обозначены: электронная пушка 1, источник 2 питания электронной пушки, система 3 питания пространстдвижения электронов пучка из-зарезонансного учеличения амплитуды поперечных колебаний электронов становятся неустойчивыми. В этом случае наблюдаются потери тока настенки волновода, в результате чегорезко снижается мощность излучения.Цель изобретения - повышение мощности генерации СВЧ-импульсов.10 Цель достигается тем, что в известном лазере содержащем сооснорасположенные электронную пушку,круглый волновод со спиральным ондулятором и коаксиально расположен ный соленоид, создающий продольноемагнитное поле 67, между электронной пушкой и спиральным ондуляторомрасположена дополнительная катушкадлиной ) , создающая поперечное маг нитное поле б , причем упомянутыевеличины выбираются в следующих пре- делах115 140 5 10 5 20 25 30 ВНИИПИ Заказ 1631/5 Тираж 643 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 венно-периодического поперечногомагнитного поля ондулятора, система4 питания квазистатического однородного магнитного поля соленоида, система 5 питания поперечного магнитного поля дополнительной катушки,ондулятор 6 для создания пространственно-периодического поперечногомагнитного поля, полюсный наконечник7 дополнительной катушки для создания поперечного магнитного поля,расположенный между электроннойпушкой и спиральным ондулятором, соленоид 8 однородного продольногомагнитного поля, волновод 9, образующий область взаимодействия и расположенный коаксиально ондулятору 6.Устройство работает следующимобразом,На катод электронной пушки 1 отисточника 2 питания подается высоковольтныйимпульс напряжения. Пучокэлектронов, формируемый электронной пушкой, поступает в волновод 9,образующий пространство взаимодействия электронного пучка с полемондулятора 6. Соленоид 8 при питании от системы 4 питания создаетквазистатическое однородное магнитное поле В, силовые линии которогоориентированы вдоль направлениядвижения электронного пучка, Ондулятор 6 при питании от системы 3 питания создает пространственно-периодическое магнитное поле В, силовые линии которого направлены перпендикулярно движению электронногопучка. С момента начала импульсанапряжения начинает работать и система 5 питания дополнительного поперечного магнитного поля, котораязапитывает обмотку электромагнита,между полюсными наконечниками 7 которого находится волновод и электронный пучок. Система 4 питания обеспечивает создание величины однородного магнитного поля соленоида 8,удовлетворяющей условию циклотронного резонанса с суммарной комбинационной волной. Электроны пучка,проходя между полюсными наконечниками 7 электромагнита, который создает поперечное магнитное поле В,с вышеприведенным значением, полу,чают вполне определенный поперечный начальный импульс. Наличие этого импульса позволяет в области взаимодействия электронного пучка с полем ондулятора осуществлять инерцию СВЧ-излучения в режиме циклотронного резонанса с суммарной комбинационной волной, при заданной величине однородного продольного магнитного поля.К примеру при полной энергии электронов= 1,5 МэВ и плотностью тока 32 10 А/см для получения излучения с длиной волны.0,8 см требуется период 1, = 4 см. Тогда при величине продольного магнитного поля В = 13 кГс, при которой обеспечивается циклотронный резонанс с комбинационной волной, и величине пространственно-периодического поперечного магнитного поля В,0,2 кГс, необходимое значение дополнительного поперечного магнитного поля 5 находится в пределах 0,78 кГс ( 8, ( 13 кГс.Таким образом, данный лазер на свободных электронах по сравнению с известным устройством, выбранным в качестве базового, позволяет устранить присущий базовому объекту недостаток и повысить эффективность генерации мощных СВЧ-импульсов. Использование предложенного устройства позволяет получить мощность излучения с уровнем мощности, достигаемым в базовом устройстве, но с 35более высоким коэффициентом полезного действия, так как в отличиеот базового объекта в предлагаемомустройстве отсутствуют потери токаэлектронного пучка на стенки волновода, в котором осуществляетсявзаимодействие, В базовом объекте,в области циклотронного резонанса сволной накачки амплитуда поперечныхколебаний достигает величины, достаточной для попадания электроновна стенки волновода, в результатечего, мощность излучения в этой области практически равна нулю. А максимум мощности наблюдается при 50отходе от резонанса и много меньшеожидаемой в области резонанса, тогда как предлагаемое устройствопозволяет электронный пучок использовать полностью и без потерь,