Лазер на свободных электронах

51) ОЮЗ СОВЕТСКИ ОЦИАЛИСТИЧЕ ОСУДАРСТВЕН ЕДОМСТВО СС ИХ РЕСПУБЛИКЕ ПАТЕНТНОЕГОСПАТЕНТ СССР)САНИЕ ИЗОБРЕТЕН а) ОП к авскому свидетельств 82/21 2892,95 Бал. Йв 35учно-исследовательский институт "Титан" одолец Л.Г.ршалл ТЛазеры на свободных электронах 987.нт США й 4442522, кп. Н 013 3/00,1984, ЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ бретение относится к устройствам для гения и усиления электромагнитных волн 1) 4766 2) 11.1 6) 20.1 ( 1)На2) Сух ( 6)Ма : Мир,1Пате (54) ЛАЗ (7) Изо нерирова миллиметрового диапазона. Цель изобретения - повышение КПД - достигается совмещением в одномэлементе открытого резонатора, ондулятора и циклического ускорителя, причем ускоряющая система циклического ускорителя размещена в центре резонатора вне каустики в общем для ондулятора и ускорителя магнитном поле, направленном вдоль оси резонатора. В качестве варианта исполнения предусмотрена кратность частоты поля ускорителя и выходного высокочастотного сигнала. 2 з. п. флы,2 ил,Изобретение относится к устройствамдля генерирования и усиления электромагнитных волн миллиметрового диапазонапри помощи вакуумных устройств, использующих мощные электронные потоки,Целью изобретения является повышение КПД лазера.Цель достигается тем, что в лазере насвободных электронах совмещены в одномэлементе окрытый резонатор, ондулятор ициклический ускоритель, причем ускоряющая система циклического ускорителя размещена в центре резонатора вне каустики вобщем для ондулятора и ускорителя манитном поле,При акой конструкции используютсяследующие взаимосопряженные решения.1, Использование замкнутого "бесконечно циркулирующего" рабочего электронного потока обеспечивает в отличие отпрототипа более глубокую обратную связькак по полю кольцевого резонатора(стоячаяволна), так и по электронному потоку (модулированный поток циркулирует по замкнутому с максимальной обратной связью).2, Использование в ускорительной части простого и компактного циклическогоСВЧ ускорителя, совмещенного с ЛСЭ, т.е.использующего один и тот же обвем и дляускорения, и для торможения электронногопотока.3. Использование в выходной частиЛСЭ ондулятора и контура такой конструкции, которые сопрягаются с кольцевым рабочим электронным потоком,Изобретение поясняется фиг. 1, 2, накоторых изображены варианты предлагаемого прибора.На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1- отражающая поверхность кольцевого (бочкообразного) открытого резонатора,использующего рабочую моду типа "шепчущей галереи" (МШ Г) с внутренней каустикой-5; магнитомягкие вставки - 2, создающиепериодическое магнитное поле и размещенные в теле резонатора 1, 3 - источник элект ро но в (катод) ци кл ичес ко гоСВЧ-ускорителя, размещенный между электродами 6; 4 - область, занятая электромагнитным полем основной рабочей частотыоткрытого резонатора и ограниченная поверхностью 1 и каустикой Б; 6 - электродыциклического СВЧ-ускорителя (дуанты), создающие ускоряющее СВЧ-поле низкой частоты тн при помощи резонатора 7,питаемого от источника 8; 9 - спиральнаяорбита выхода электронов на стационарнуюорбиту 10;.11 - область, занятая электронным потоком, сопряженным с областью 4;12 - источник напряжения, управляющего введением электронного потока в простран ство ускорения; 13 - вывод энергии выходного сигнала частоты 1 в, связанный срезонатором 1 элементами связи 14; 15 -5 вектор магнитного поля В, используемого идля работы циклического ускорителя, и дляЛСЭ.На фиг, 2 представлен вариант предлагаемого устройства с внешним источником10 16 предварительно ускоренных электронов,На фиг. 2 приняты следующие обозначения;металлическая фольга 17 (сетка), проницаемая для электронного потока и не проницаемая для СВЧ-поля частоты 18, 18 - щели15 периодической структуры на поверхностирезонатора 1.Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом,При приложении СВЧ-поля частоты 1 н к20 электродам 6 от источника 8 и при условииотпирания эмиссии с катода 3 напряжениемот источника 12 электроны начинают двигаться по раскручивающейся спирали 9.Этап ускорения электронов в циклическом25 ускорителе с учетом изменения их массы инеобходимости изменения магнитного полявдоль радиуса подробно рассмотрен в литературе и применительно к данному случаюотличий не имеет. Отличием является лишь30 то обстоятельство, что при увеличении радиуса орбит до величин больших, чем радиусэлектродов 6, они выходят за их пределы(из-за отсутствия задней стенки у дуантов) ипродолжают ускоряться краевым СВЧ-по 35 лем, которое существует и за пределами радиуса дуантов.На фиг. 1 представлен "слаборелятивистский" вариант предлагаемого устройства,в котором изменение массы электрона с уве 40 личением его энергии может быть компенсировано мерами, отработанными дляциклотронов("слабая" и "сильная" фокусировки, применение полюсных наконечников, создающих периодическое поле),45 В "сильнорелятивистском" случае (фиг.2) предварительно ускоренный до рабочейскорости электронный поток можно ввестиизвне, избежав тем самым необходимостисоблюдать условия резонанса при большом50 диапазоне изменения массы. В случае фиг.2, как и в случае фиг. 1, величина рабочегокольцевого тока, осуществляющего преобразование энергии, может быть во многораз больше, чем величина инжектируемого55 тока. В соответствии с этим основное энергопотребление системы и в случае фиг. 2осуществляется в цепи СВЧ питания на частоте тн, а не в цепи инжекции,Размеры дуантов необходимо выбиратьтак, чтобы они не попадали в область поля 4Открытого резонатора, но чтобы краевое поле электродов б проникало в область 4. Таким образом, необходимым условием работы прибора я вля ется существование такого кольцевого обьема, в котором одновременно существуют поля частот 1 н и 1 р.В соответствии с принципами работы ЛСЭ в этом же обьеме должен находиться и рабочий электронный поток, имеющий поОтупательную (в традиционном случае) илиращательную (в нашем случае) составляюую движения, а также колебательную составляющую движения вокруг среднего значения.В традиционных ЛСЗ колебательная составляющая движения обеспечивается исгользованием знакопеременного юагнитного поля при помощи специального устройства - ондулятора. В случае использования циклического ускорителя, исполь 4 ующего магнитное поле с периодической составляющей, необходимость в специальом ондуляторе отпадает - его функцию выолняет основная система фокусировки э ектронного потока. В общем же случае ,ндулятор необходимо ввести и в систему, например, в форме традиционных шучтов Д) из магнитомягкого материала, периодически уменьшающих величину основного магнитного поля В (1 5), В результате действи периодического магнитного поля электронный поток движется по тоаектории, Имеющей колебательную составляющую с периодом установки шунтов (2). Процессы взаимодействия такого потока с полем открытого резонатора в области 4 - такие же, кк и в традиционных ЛСЗ, Шаг д, их число й, радиус резонатора Я(о =,.ч. ) должны2 лйудовлетворять обычному для ЛСЭ отношениюбЛ =в, 2.ф где Ла = - , с - скорость света, а у -с,ьрелятивистский масс-фактор0,51Щ - энергия электронов (в мегаэлектронвЮльтах) на стационарной орбите 10,Таким образом, на стационарной орбите 10 выполняются традиционные условияснхронизма, осуществляется самовозбуждние ЛСЭ на частоте 1 н и отбор энергии отэлектронного потока на этой частоте в течение каждого оборота. В течение каждогб оборота имеет место и ускорение СВЧ-полем частоты тн, вследствие чего возможенбаланс энергии и существование стационарной (квазикольцевой) орбиты,5 Из открытого резонатора 1 энергия выводится во внешнюю цепь выводом энергии(13), который связан с резонатором элементами связи (14),Условия самовозбуждения ЛСЭ предла 10 гаемой конструкции по сравнению с обычным ЛСЗ улучшены по следующимпричинам.1. Кольцевой поток многократно (а неоднократно, как в обычном линейном ЛСЭ)15 подвергается воздействию СВЧ-поля частоты 18 и поля ондулятора. Вследствие этогоулучшаются его группировка, условия самовозбуждения и КПД.2. Электронный поток на стационарной20 орбите сохраняется без его расходованияна основной рабочий процесс и може бытьзначительно больше, чем ток эмиссии катода. Увеличить этот ток до пределов, обеспечивающих самовозбуждение системы, при25 многократном прохождении легче, чемобеспечить однократное прохождение через ондулятор большого линейного тока,Расходование тока только на случайныепотери и несовершенство фокусировки,30 улучшенная его группировка из-за многократного использования, лучшая по сравнению с другими монохроматичность потокацилиндрического ускорителя (столь необходимая для ЛСЗ) служат предпосылками уве 35 личения КПД предлагаемого прибора.Основная цель изобретения - упрощение достигается путем использования известного циклического ускорителя сизмененными дуантами внутри самого кон 40 тура открытого резонатора, в той его области, которая свободна от рабочего поля типаМШГ, Прибор в целом, вместо громоздкогомногометрового устройства, может быть выполнен в форме обычного электровакуумно 45 го прибора типа магнетрона с радиусомрезонатора й = 8 см (см, ниже),Для оценки возможных его параметровнеобходимо принять во внимание, что энергия электронов на стационарной орбите, ее50 радиус и величина магнитного поля В связаны соотношениемущс В = -1 В Оценки по приведенным формулам позволяют, в частности, получить следующую совокупность параметров;(Хн 3000 МГц)2. Длина волны выходного СВЧ-сигнала 4" 0,97 мм 1 мм 5(1 в = 300 ГГц)3. Величина рабочего магнитного поля В О 11 Тл(средняя ориентировочная величина) 4. Энергия электронов на стационарной 10 орбитеМ - 2 (= 5)5. Величина стационарной орбиты В " 7,7 см.6. Количество магнитных шунтов й = 10. 15 7. Период ондулятора б - 4,85 смПредлагаемый прибор при небольших конструктивных изменениях можно представить и как типичный нерелятивистский прибор - генератор дифракционного излу чения (ГДИ), В этом случае все элементы предлагаемой системы, изменяясь количественно, выполняют прежние функции, но на поверхности резонатора 1 (фиг, 2) необходимо нанести периодическую структуру 25 18, электрически взаимодействуя с которой, электронный поток создает дифракционное излучение (в терминах этого класса приборов). Переменное магнитное поле ондулятора, отсутствующее у традиционных ГДИ, 30 при этом можно не исключать, позаботившись лишь о том, чтобы переменные составляющие из электрического и магнитного поля обеспечивали синхронные составляющие силы, действующей на электронный поток. Все рассмотренные выше преимущества использования в ЛСЭ замкнутого кольцевого электронного потока переходят и к ГДИ с кольцевым потоком. В общем случае в предлагаемом приборе частоты н и 1 в не связаны и, отличаясь очень сильно (в рассмотренном выше примере в 100 раэ), практически не могут быть точно кратными.Если же по каким-либо причинам этукратность можно взять небольшой (напривмер, - = 8), то величина высших гармоник1 нчастот Ь в пространственном заряде на частоте Ь может быть заметной и может играть роль сигнала, синхронизирующего выходной сигнал, В этом случае устройство превращается в умножитель частоты с сохранением жестких фазовых соотношений между входным и выходным сигналами, что в ряде радиотехнических применений может дать преимущества. Например, стабилизация частоты питающего СВЧ-сигнала обеспечит стабильчость и выходного сигнала миллиметрового диапазона.Формула изобретения1, ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТ РОНАХ, содержащий ондулятор, цилиндрический ускоритель и открытый бочко-. образный кольцевой резонатор, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, ускоритель размещен в 40 центре резонатора вне его каустики.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения когерентности/ между выходным высокочастотным сигналом и питающим ускоритель низкочастотным сигналом, их частоты выбраны кратными.3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и уменьшения габаритов, магнитная система ондулятора и ускорителя выполнена общей,.г- -гЛ оста витель Л. Суходолецехред М,Моргентал . Корректор А,кт едотов кая Зэка 2 Тираж Подписн НПО "Поиск" Рослатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10