Лазер на свободных электронах

,Т 25/00 51 4 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕАВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ к лазераель изобрциента усилэлектрон ных частиц, в частности свободных электронах. Ц ния - увеличение коэффи ния лазера на свободных достигается тем, что ис тронов расположен так, тронно-оптическая ось п е- ек.В ловизнин очни екг. а 1 сго 7, ч 649,о его Р 1 гзг оре 1 азег,8, р.892. ар аллель на дена допол си ондулятора ельная магнитн и в(54) ЛАЗЕР НА СВОБОД(57) Изобретение отции когерентного элизлучений при помощи ЕКТРОНАХ к генераНЫХ оси сть о остей агнитного ов ускоре л СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМИ ГННТ СССР(56) 1)еасоп Р.А,С.гаг.юп оЕ а аггее-е 1РЬуз. Кеч. Ьегй. 19Патент США Р 442кл. 372-2, 1984. электронного пучиндукции В в коттору магнитногочто дает возможн ние разброса скорения частиц. 2 ма 6 поворота 80 , вектор раллелен векиндукцией В 0 лабить влияв пучке уско3 1508298Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излу" чения при помощи пучков ускоренных частиц, в частности к лазерам на свободных электронах (ЛСЭ).5Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления ЛСЭ.На фиг,1 показана схема ЛСЭ с поперечным статическим магнитным полем 1 О на фиг.2 - траектория электрона в поперечном магнитном поле с индукцией Во. еВ а Х=Хо+ч, 22 ЕеВо где Х и ч - соответственно поперечная координата искорость электрона навлете в рабочую область ЛСЭ (2=0, см.фиг.2).В точке фазового синхронизма Епродольная скорость электроначк ш с 1 И 1 ч2 фч (1 ) -" 1 - -( - +с Е 2 с ш сф юе.ю) Е откуда получаем(2) Эффективное усиление лазерной волны происходит лишь вблизи точки фазового синхронизма, вдали от нее детали траектории не играют роли. По этой причине для пучка электронов в целом должно выполняться .условие где Д - диаметр лазерного пучка (см,фиг.2; заштрихованная областьсхематически. изображает множество точек (Х 2.В противном случае часть электро-. нов будет проходить через точку фазового синхронизма вне области, занятой электромагнитной волной, и не сможет усиливатьпоследнююРассмотрим вначале ситуацию, ког-, да магнит 6 отсутствует. Полагая, что в пучке электронов существует угловой А 6 и энергетический дЯ разброс, а также разброс по координате д Х, ишсполагая ВЕ(Е; дд, вариацию координаты Хж представим в видефо 1 Х "-ФХ + 2 (1 - -ф) + -- - - -3ш с чхеос сф В устройстве основным рабочим органом является ондулятор 1 с постоянными параметрами, на который накладывается магнитное поле с индукцией Во, перпендикулярное его оси 2. Вдоль оси ондулятора распространяется усили-О ваемый лазерный луч 3. Электронный йучок 4, генерируемый источником 5 электронов, движется. под малым углом к оси ондулятора, изменением этого угла достигается согласование продольной.скорости электронов с фазовой скоростью одной из комбинационных волн лазерного излучения. Устройство работает следующим образом,Для увеличения коэффициента усиления предлагается перед попаданиемэлектронного пучка в рабочую областьЛСЭ отклонять его магнитнбй системой16 поворота электронного пучка наугол 180 (в той же плоскости, чтои поле В, что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей впучке).Пусть ось Е совпадает с осью ондулятора, а оси Х и У направлены соответственно перпендикулярно и параллельно полю В . Отклонение частицпроисходит в направлении Х, поэтомубез ограничения общности достаточнорассмотреть движение только в плоскости (ХОЕ). Обозначим через ч скорость электрона, а через ч фазовуюскорость соответствующей комбинационной волны; при этом предполагаетсявыполненным условие ч(ч ( 1. Ввидутого что энергия электронов Е значительно превышает их массу покоя ш,а угол отклонения частиц от оси предполагается малым (чс( 1), поперечнаякоордината Х и скорость ч частицы вточке 2 приближенно равны Е г ч ао 2 Х =Х + -- 2(1 - -) 2 еВо с ссфХх макс Хдц , (3)Е Еч, ш (ФЕ) сфх - ---- Лй- чю еюе Йю ееею ю еЮ юе2 еВа еВо с 1. хо 2 еВ о Е 3(4) Таким образом, пройдя через поворотный магнит, пучок приобретает качественно иную структуру: смещение 5частиц по точке влета Х оказываетсякоррелировано с их энергией Е, Этопозволяет -исключить иэ /Х также ичлены первого порядка малости по ФЕ,В самомделе, при наличии разворачивающегося поля В имеем: 2 еВ сРх, сах. 1 Е15 2 еВ,Для того чтобы происходила необходимая компенсация слагаемых, следуетвыбрать поле В равным20(8)ф ш с.)с сХ =дХ30 Легко видеть, что ограничение наэмиттанс в этом случае совпадает с50Рассмотрим теперь результаты, полученные при осуществлении предлагаемого способа накачки. Как известно, радиус поворота электрона в магнитном поле В пропорционален его поперечному 55 импульсу (в данном случае йоперечный импульс совпадает с энергией частицы): . К = К/еВ,5Е (Ахо) чхо фЯ Агко где Е,ч- средние значения энергиихои начальной поперечнойскорости электронов: Р==+ ФЕ,чхничхе+фчхоАт хо Минимизируя величину Ь Х(Х лсакс - Х мид2У следует в первуюочередь стремиться исключить членыпервого порядка малости по дХ , ФЕ,4 ч,; это удается сделать только дляслагаемого с ч положив начальныйугол влета ч ,=О, После этогоч, ш с 4 Е8 Х=УХ +2(1 -- ) + -- -1 ----Е 2 еВ,Е (Ь 7 х)(5)2 еВ, сИз (5) получаем следующую оценку на допустимый разброс параметров пучка: 2 ЬХ с й, Е (66) /2 еВд,41 2(1- -ф) + - -1 ЛЕ /еВ, Й.с Далее, оптимальные значения параметров установки состаляют приближенш с ч1 4.чф но -- х (1 - -) В = Е (1 - )Еф О фс ф где Е- амплитуда напряженности поля в лазерной волне.С учетом того, что качество пучка принято характеризовать эмиттансом Е=ДХ ЮО, окончательно получаем следующие ограничения 2 ГЕ ч ш. сфУХ =РХ --- +г(1 - -ф) + - =-1 х 0 еВ с Я ш (сРЕ) с Я (ЮХ х) (7) 2 еВ э 2 еВ с(направление В совпадает с направлением поля В ).При учете (8) вариация точки фазового синхронизма равнаш УЕ)с Е (,Рч )2 еВ, Е 2 еВ сП р и м е р. Зададимся следующими значениями параметров установки: Е = =3 10 В/см; с=0,3 см; Е=50 Мэв. Мощность лазерного пучка при этом составляет около 3 ГВт длина волны генерируемого излучения - несколько1микрон (при периоде ондулятора в несколько сантиметров), индукция магнитного поля внутри ЛСЭ Во=(1-2) Гс. В отсутствие отклонения пучка ограничения на параметры пучка составляет величину 1 с 0,3 см.мрад; й Я 60,3 Мэв.При введении отклонения пучка по формуле (9) находим: а10 Мэв,По сравнению с прототипом достигается улучшение в 30 раз, Требуемая индукция поля в поворотном магните составляет 10-20 кГс.Для сравнения приведем также ограничения на качество пучка при работе ЛСЭ в режиме многократного пе