Лазер на свободных электронах

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК ЯО,(51) Н 0 3 25/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о СССР21.04.80 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова(56) 1. Жуков Л.Г, и др. Возбужденное комптоновское рассеяние на релятивистском электронном пучке. Ж ЭТФ1979, 76, 9 6, с. 2065.2. Авторское свидетельствВ 881895, кл, Н 01 Л 75/50,(54)(57) ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, содержащий источник электронов иволновод, образующий пространствовзаимодейСтвия и одним концом присоединенный к источнику электронов, а на другом конце имеющий окно вывода энергии, объединенные в одной вакуумной оболочке с генератором накачки, и магнитную, систему, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения частоты генерируемых колебаний до ультрафиолетовой и рентгеновской области длин волн, источник электронов и генератор накачки выполнены в виде планарного диода с анодом из металлизированной диэлектрической пленки и катодным узлом, состоящим из торцового катода с центральным отверстием и катододержателем, внутри которого расположена газовая кювета, а в боковой стенке катододержателя выполнено выходное окно генератора накачки, связанное со световодным С: трактом, выход которого расположен напротив окна вывода энергии.111 с 91 ИэобрвРтссь(Е;)НСИ СЯ стЕХН ИВЕСБ и квач оной эл. к грантк ц можетс)ЫтЬ ИС" ПОТТЬЭОВЛНО 1)тя ЦЕРЯТ,(к МОЩ -НОГО И.3 ЛУЧЕНИЯ УЕТТТРсэ(ТЯС)геСт(СГО Ирентгеновского диадаэ;ца ;дт:ц В ццИзвестно устройгтво рс),5 тевтг.- ского генератс)ра э,;гес трмлит;го излучения СВН-диаплэал со;тержлщее Источттик э.тектроцов в; и; ь)г Г цужаЩий ПРОстпл:ство ( в э лт ". сс( Г т 3 НЯ е( 1 с объедиетте 1 г:тим в о;Ес(с Й лсууметот оболочке геерлторакл Ек;(, мл (цтету систему и устройство выводя эцер 1 . Р кагггтве весарса рлГ 1ки исгтользован Еслргц) гр( ., Оттклю -чецный к концу цово,о; л. с брл (сТцом к устройству вво;тя:)герт ии., 1 учок ЭЛЕКТроОВццжвкГ р "сМЛ )сПЕКОЙ С МЯГЦИТЦОЙ И 30 ТЯПЕЙ, Рс(С Е;ог: РЯНЯ(:ГЯ через ВО)О" 0;1 е кл)сицсроц, этсс - чение, енекругь(с)е слрги готроцол(, рсчсп эост 1 с 1 еястГ Я с тзГТ 1 е, )ел "ро - ному поток; в крут.;ыг( гзо. ( Езс)51. 1 яг - СЕЯЕТНОЕ 3 ЕЕК)ОЬ(Л 3ЦОС ИТЗ ;УТС ;( МИЛЛИМЕтрааОГО;ИЛПЛ зсНЛ ттрОХО,ТИТ ЧЕРЕЭ КсЛРСИЕЕОТРОс 3( И 3 (УТЛС)ТСЯ 3 С ЕЗС) - бодное пространство черсрупор для Вывода цэ.учения.Лаццое устрс кгтво с Нлц,те, ря там сутпесттзецых цс лог г лтков. 13, цим3 О сх егтуат от те а тц ц ц 3 К и: Ь 1.и 0 рлеичение цл миимл Те.ю д:ну гс церк - 1) У е мы х к с.ц Г с с е и 1, ,. и 3 с Ц т( 11 1,с с в Я 3 л ц с тем, чл О3 чс. ".:с лтро;г,врохо;ТясЕрш З 30;НОЗО , . сГ;ЛЕТ СЯ ГТЬ СВОЕ энергии, г, ре -ультате его В карсиНатт)ОЦЕ КЭ-Эа 11)1 вЕЕИВ; СЛОзкйРЕЗОЦЛНГЦОГО ВЗЯИМОДЕйГ 3 ИЯ ДУ тка СО структу)ОЙ л;Гецтатроця рсисходит СРЫВ ГЕТ(ЕР,сСИИ, ст(ЛГ)аЬ(стЕЕЕЕ(5 ЦЛ МИНИМЯТТЬНуЮ,.т:тиц К ТРс( ОбЬЯГЕ(ЯЕТСЯ40 тем, то длина гес:.рируемых ко.цебяний, цапримсо гз режиме 2 п-колебаний связана Г ттеродом с тр ктуры каргиотрока соот Топ(ециеы ) =. ",с сс где4 длина волныенерт(1 руеь(егх колебаний;период Гтруктурь к ярсинстрона- релятивистский Фяк )1хяряктеризующий энергию ,ек гоонов пучка, Уменьпение , езс;эькц но .ттгшь до определенных преде.тов, опредетгяеьых труд 5 С ностью и:зготовлеия структурь и ее электрической граче(осте,ю, Увелиение у влечет за собой ба:п,(пие малериальные затраты Наиболее близктям к предлагаемомуявляется устройство содержащееисточник электронов к волновод обра )ТИ т;)ГТРЛ ГТВ В 3 ЛИМО;ОЙ ГТВИР,цитс 3 ць(Р В 0;тР езлк"ь(30 обо.),С Г ЕЕ(РРЛСРОМ ЦЛКЯКИ Мс 3 ГНИТВую ( игтсму и угтр(йс.тво выводя эцерСВЦ-грякт Г 22. 1 еерлтар накачкивы.:о цец в виде релятивистского магс т: ц . Нри этом воловод рятзме(цемежду т рцом мягнетроцл и устройстЕзоь(:ыгзс)де( СВН-энергии генератора, клт:.Т млгцетрсна выгтуплет эа торец м:1 с. тР ОЯ в во)тн с) Од, Вы с тУпслк)гний итре(отс катода и воловод образу(с)т коляска:(ьый диод, который ятзляется исто (ге(ксм э. Тектроцов генератора, СВН-энергия иэ млгнетронл выводится тзгск и по СВН-тракту, который саеди(е( млгцвтроном и с концом волноводл, передаетс.я в пространствоВ 3 ЯИМсДЕИСтВИЯ, т,Е. В ВОЛОВОД.Б)гят сдаря отсутствию влияниярлсгеянцого из:учения ца генератор тяклчки Я,Г ус гройства увеличен.)Лттл;о огрлцкчецие, связанное с мини(л)тс цой длицс)й волны генерируемьгх колеблцегйгтрололжлет действовать и езлццсь( устройстве.1 е.ть изобретения - повышение час а ь гс церкруемьгх колебаций до узгьтрлфц .( .Овс й и рентгенов:кой областид.ги; Ва.,1 сЕь Гтигается тем, что в лазе;г ца с:вс б(цгных электронах, содержаи,;и истоцик электронов и волновод,абрлэующий пространство ВзаимодейстВгя и Одни ( ко ТОм и) исаедине етныйк иг.т гику злектроцов, л на другом конце темеющий окно вывода энергии, абъедицсццые н одной вакуумной оболочкс г гс нерлтором накачки, и магнитную гцгтему, источник электронов и генерлор накачки выполнены в виде ти;анарого диода с анодом из металлизт(рогяое( гткэлектрической пленкиИ КЯТО;1 Л Ы УЗ ЦОМ ГОГ ТОЯПТИМ Иэ ТОР ;Тового катода с центральным отверстием и катододержателем, внутри кото)ого ряспо:ожена газовая кювета, а з боковой с:тенке катододержателявыло."цгно выходное окно генераторанакачки, связанное с световодцым трактом, вь;ход которого расположен напротив окна вывода энергии,Изобретение поясняется чертежом.Лазер на свободных электронах содержит высоковольтный источник 1 эцектронов например, двойная формирующая линия сильноточного ускорителя), катодный узел 2 с встроенной904 40 3 1116 в него газовой кюветой 3, металлизиронанную диэлектрическую пленку 4, волнонод 5, образующий пространство взаимодействия, окно для выхода излучения генератора 6 накачки, световодный тракт 7, магнитную систему 8, окно 9 вывода энергии, расположенное в конце волновода, напротив анодной пленки 4.Устройство работает следующим . 10 образом.Импульс высокого напряжения от источника 1 электронов прикладывается между катодом и анодой пленкой 4, выполненной из металлизированного со стороны волновода 5 диэлектрика, и прозрачной для электронного пучка, образующегося в результате взрывной эмиссии, Пучок через анодную пленку инжектируется в волновод 5, а его 20 транспортировка через область взаимодействия обеспечивается магнитной системой 8, При прохождении электронов через диэлектрическую пленку 4 за счет поверхностного пробоя и 25 разогрева на ее поверхности образуется плазма, из которой электрическим полем вытягиваются положительные ионы, ускоряются в катод-анодном промежутке, проходят через прозрач ную для ионов стенку кюветы 3 и попадают в газовый объем кюветы. Возникшее в результате ионной накачки лазерное излучение через окно .для вывода излучения генератора 6 накачки и по световодному тракту 7, через окно 9 поступает в волновод 5. В волноводе 5 лазерное излучение рассеивается на сильноточном электронном пучке, движущемся от анода 4 навстречу излучению, В результате взаимодействия с релятивистским сильноточным электронным пучком лазерное излучение преобразуется в мощное излучение ультрафиолетового и рентгеновского диапазона длин волн,45 которое распространяется в направлении движения электронного пучка, и через окно 9 вывода энергии выводится наружу.Применение в устройстве ионной50 накачки газового лазера вызвано темУ что лазеры с ионной накачкой имеют значительно большой КПД по сравнению с его электронным аналогом.Кроме того, такое конструктивное решение сильноточного диода, а именнпомещение в область катододе.ржателя газовой кюветы и использование в качестве анода металлизированногодиэлектрика, позволяет одновременнона одной установке получить электронный пучок и сильноточный пучок ионов.Это преимущество особенно существенно для накачки эксимерных лазеров,генерирующих более коротковолновое(фиолетовое и ультрафиолетовое)излучение,В качестве примера конкретногоисполнения рассмотрим случай, когдав качестве источйика электронов используется наносекундный ускорительс параметрами: энергия электронов до1,5 МэВ, ток пучка до 50 кА, длительность импульса 20-80 нс, Применение вкачестве анода алюминизированной полиэтиленовой пленки толщиной 10 мкм позволяет получить ионный пучок с током до5 кА, энергией до 1,5 ИэВ. В этомслучае, при накачке таким ионнымпучком газового лазера из смесиА-К 2 происходит лазерное излучениена длине Л = 337-380 нм. Полученноетаким образом лазерное излучениепередают в область взаимодействия спомощью системы зеркал. В областивзаимодействия, представляющей отрезок круглого волновода диаметром90 мм, при диаметре пучка 30-40 ммвозможна транспортировка пучка токомне больше предельного равного 6-10 кА,что значительно меньше инжектируемого. В данном случае при толщинеанодной пленки 10 мкм и энергии1 5 МэВ электронный пучок можетинжектироваться с максимальным длярассматриваемого источника электроновтоком до 50 кА. В области взаимодействия в результате рассеяния излучения на сильноточном пучке при егодвижении навстречу пучку за счетэффекта Допплера происходит электромагнитное излучение вдоль пучка сдлиной волны в 4 р 2 меньше, чемдлина волны. падающего излучения. Врассматриваемом случае длина волны .уменьшается в 50-60 раз, что будет1составлять 71 5-6 нм.Так лазер на свободных электронахпозволяет существенно продвинутьсяв коротковолновую область и генерировать электромагнитные колебания вультрафиолетовом и рентгеновскомдиапазоне длин волн.Составитель В. Долматовредактор Л. Письман Техред Т.Дубинчак Корректор И. Муска Заказ 2884/5 Тираж 679 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раувская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4