Лазер на свободных электронах

(54) ЛАЗ те ус руктурная элеко прибора (молуктуационных турная электриприбора (модикогерентных новка прибора ко ге чегорапри со го) елятивистскозанной схеме ть в устройстГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ И(71) Сумское отделение прикладной физики Института металлофизики АН УССР (2) В,В.Кулиш и В.Е.Сторижко(73) Сумское отделение прикладной физики Института металлофизики АН Украины (56) Маршалл Т, Лазеры на свободных электронах. - М.: Мир, 1987. - 239 с.Коцаренко Н,Я., Кулиш В.В, Об эффекте супергетеродинного усиления электромагнитных волн в системе плазма-пучок. - Радиотехника и электроника, 1980, т. 25, В 11, с. 2470 - 2471. Изобретение относится к электроннойхнике, в особенности, к генераторам иилителям флуктуационных и когерентныхлебаний, и может быть использовано какнератор шума в измерительной технике, акже в качестве технологического генерара электромагнитного излучения,Цель изобретения - расширение рабодиапазона частот электронного прибои повышение устойчивости его работыснижении веса и габаритов,Поставленная цель достигается тем, чтоэлектронном приборе, содержащем систенакачки, электродинамическую системунерируемого (усиливаемого) сигнала, кол-;ктор электронов, согласно изобретению,точник релятивистского электронногочка выполнен по схеме, обеспечивающейздание двухскоростного (биэнергетичноэлектронного потока.Выполнение источника рэлектронного пучка по укает возможность иСпользова ВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНА(57) Изобретение относится к электронной технике, в частности к генераторам и усилителям флуктуационных и когерентных колебаний, Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов - достигается тем, что в лазере источник релятивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного релятивистского электронного потока, Достижение цели изобретения подтверждено расчетами, 3 ил. ве в качестве рабочего механизма эффект двухпучкового супергетеродинного усиления электромагнитных волн,На фиг, 1 изображена сттрическая схема электронногдификация 1 - генератор ф.колебаний); на фиг. 2 - струкческая схема электронногофикация 2 - генераторколебаний); на фиг. 3 - кампопо модификации 2,В качестве узлового элемента заявляемой конструкции, в том числе и устройства, представленного на фиг. 1, служит источник двухскоростного электронного пучка, который включает в себя электронные пушки 1 и 2, используемые как инжекторы для ускорителя 3. В качестве электронных пушек применяют как электронно-оптические системы, на основе термо- либо фотоэмиссионных катодов, создающие прецизионные электронные пучки, так и ускорители прямого действия на основе взрывных катодов. Система накачки 4 может иметь много, численные варианты схемного исполнения,как по типу используемого поля накачки, так и ее компоновки, Наиболее перспективны здесь стандартные магнитные ондуляторы (в том числе и микроондуляторы) и системы лазерной накачки, т,е, системы с накачкой периодически реверсивным магнитным полем либо полем электромагнитной волны.Система накачки имеет односекционную либо многосекционную компоновки. В последнем случае она содержит относительно короткие секции накачки, разделенные длинными пролетными промежутками, В генераторах флуктуационных колебаний односекционные конструкции системы накачки, однако, более предпочтительны.Электродинамическая система генерируемого сигнала 5 служит для вывода генерируемого излучения частоты а из устройства (например, в форме цветного шума), Она выполнена в виде оптической либо квазиоптической линии. Для повы шения КПД и рибора и уменьшения уровня тормозного рентгеновского излучения коллектор электронов 6 может иметь многоступенчатую схему исполнения и содержать деускорительную секцию, т.е. ускорительную секцию, работающую в режиме торможения электронного пучка, Деускоритель и ускоритель выполнены по однбй из известных схем. Наиболее перспективны здесь линейные индукционные и электростатические типы конструкций, Причем конструкция электронных пушек-инжекторов такова, что одна из них имерт в центральной части окно, через которое вводят электронный пучок 7 таким образом, чтобы на выходе другой пушки он совместно с электронным пучком 8 образовывал бы двухскоростной электронный пучок 9,Генератор когерентного электромагнитного излучения представлен на фиг, 2, В данном примере проиллюстрирована иная возможная конструктивная модификация конструкции источника двухскоростного пучка. Здесь 1 и 2 - электронные односкоростные ускорители с пушками-инжекторами, а 3 - система сведения двух односкоростных пучков в один двухскоростной, Устройство последнего типа широко используют в ускорительнойтехнике. Система накачки 4 может иметь как одно- так и многосекционную конструкцию, Для данного устройства наиболее Оерспективны двухсекционные конструкции пролетноклистронного типа. Коллекторнцй узел может содержать устройство разделения электронных пучков по энергиям 5, аналогичное по принципу действия масс-спектро 50 двух электронных пучков с энергией 2 МэВ и током 2 А каждый, Компрессию электронного пучка на входе системы накачки итранспортировку его через область взаимодействия электронного прибора осуществляют с помощью набора известных электронно-фокусирующих систем (квадрупольных и секступольных линз, соленоидов и др,). Питание ускорительной и деускорительной трубок осуществляется от генератора В ан-Дер-Граафа П, питание диагностической аппаратуры, а также упметрической системе. В этом случае токоосаждение осуществляется в двух коллекторах 6 и 7 соответственно. В представленном примере электродинамическая система сиг нала 8 выполнена в виде резонатора фабри-Перо. При малых относительных раздвижках скоростей электронных пучков 9, 10 коллекторный узел может вместо системы разделения пучка 11 содержать одно 1 О поворотное устройство и один коллектор,При замене последнего на оптическую линию конструкция может быть использована в качестве усилителя когерентного электромагнитного излучения субмиллиметрового - 15 видимого излучения.Пример конструкции генератора, выполненного по схеме, представленной на фиг. 2, приведен на фиг, 3, В качестве основы здесь выбрана установка компактного 20 лазера на свободных электронах, построенная в Калифорнийском университете, Санта-Барбаре (США). Модернизация указанной известной установки произведена в соответствии с существом изобретения, Здесь односкоростные электронные пушки 1, 2 используют в качестве инжекторов для двух ускорительных трубок 3, 4 соответственно (два параллельных канала в электростатическом ускорителе), Элементы 5,6 30 используют для транспортировки и поворотов каждого из односкоростных электрон ных пучков, В качестве системы накачки 7 использованы одно- либо двухсекционные микроондуляторы (в последнем случае при менена описанная выше пролетно-клистронная схема системы накачки) на основе самарий-кобальтовых магнитов, Системы 8, 9 служат для поворотор, транспортировки и деускорения (торможения) отработанного 40 двухскоростного пучка, для осаждения которого предусмотрен многоступенчатый коллектор 10, В данный блок узлов может быть введено устройство разделения электронных пучков по скоростям, В таком случае 45 конструкция содержит по две системы поворотов; транспортировки и деускорения, а также два коллектора, Весь электронно-оптический тракт рассчитан на прохождениедв езонансной частотой ж (, -) Р) тота двухскорост где вв - плазменная чаного пучка;Ь - релятивистскийный по,обоим пучкам,с - скорость света в в тор, усредненравляющей аппаратуры в высоковольтной части установки - от генератора 12, приводящегося в движение гибким пластиковым валом 13, Электродинамическая система сигнала 14 выполнена в виде резонатора Фабри-Перо либо оптической линии. Электродвигатель 15 предназначен для возвращения пластикового вала, соединенного с генератором. Лазерная часть электронного прибора с набором вспомогательных систем размещена в объеме кондуктора 18, к которому подключен генератор Ван-дерГраафа, Весь объем установки, ограниченный танком 17,. заполнен газом, обладающим высокой электрической прочностью, например, шестифтористой серой. Исключение составляет лишь объем электронно-оптического тракта, где поддерживают высокий вакуум.Устройство работает следующим образом,Рассмотрим конструктивный вариант, представленный на фиг. 1 (генератор флуктуационных колебаний). Двухскоростной электронный сильноточный пучок 9, сфор.мированный из электронных пучков 7, 8, создаваемых двухскоростным инжектором 1, 2, поступает на вход ускорителя 3, который в данной конструкции имеет достаточно высокий темп ускорения (не менее 3 - 5 МэВ/м). Преждевременное возбуждение двухпотоковой неустойчивости в пучке в процессе ускорения для стандартной системы подавлено тем, что резонансная частота двухпотоковой неустойчивости здесь меняется с ростом энергии пучка, так что случайная флуктуация фиксированной частоты может усиливаться только в течение малого промежутка времени. После выхода из ускорителя 3 двухскоростной пучок 9 направляют в систему накачки 4, где для него реализуют условия возбуждения двухпотоковой неустойчивости. Последнее характеризуется малосигнальным инкрементом усиленияЛу - разность релятивистских факторов односкоростных пучков.В качестве начального возмущениядля двухпотоковой неустойчивости служат 5 волны пространственного заряда (ВПЗ),возбуждаемые в пучке в результате нелинейного параметрически-резонансного взаимодействия электромагнитных шумов системы частоты в 2 и поля накачки с элект ронами. В случае Н-убитронной накачки параметрически-резонансная частота может быть легко вычислена (уЬ 1) по формуле4 лсЯ вг- - -в,Л(3) где Л- период ондулятора;в - частота ВПЗ, возбуждаемых при1параметрическом резонансе,В случае наложения двух резонансов(двухпучкового и параметрического), т.е.при оа = в -" в, одна из ВПЗ, возбуждаемыхза счет параметрического механизма, эффективно усиливается за счет двухпотоковой неустойчивости. В свою очередь,взаимодействие нарастающей ВПЗ с полемнакачки приводит к генерации(за счет пара, метрической связи волн) нарастающей электромагнитной волны сигнала вц и т,д. Прибольших усилениях ВПЗ и при некоторойоптимальной малой растройке резонансныхчастот са, в и в (удовлетворяющей критерию Чирикова) в системе вдальнейшем происходит стохастизация процесса усиления -устройство переходит в режим работы генератора флуктуационных колебаний, Генерируемый сигнал са выводится из устройствапосредством электродинамической систе 40 мы 5, а отработанный электронный пучок 9осаждается на коллекторе 6,Приведем некоторые оценки. В качестве инжекторов 1 и 2 (фиг, 1) выберем сильноточные диодные пушки; обеспечивающиев области взаимодействия устройства значения плазменной частоты двухскоростногопучка ав "10 см, В качестве системы 3применим линейный индукционный ускоритель на энергию 5 МэВ, а для накачки -микроондулятор, описанный в, напряженность магнитного поля 10 кГс, период -4 мм, длина - 80 см, После вычислений получаем в 2 -5 Х 10 см, что соответствуетдлине волны А -4 мкм, Г 0,5 см, погонныйлинейный коэффициент усиления 1,8 10раз/м, При этом полагалось, что разбросэлектронов по энергиям на выходе ускорителя составил величину 1 О, что вполне реально, При КПД 40 оь (уже реализованныхв аналогичных однопучковых системах) им. 2 пульсная мощность выходного флуктуационного сигнала может составить величину10 Вт (в случае использования килоам 1 опернцх пучков).Работа устройства, приведенного на 5 фиг. 2 и фиг, 3, сходна с работой вышеописанного, Отличие состоит в том, что данная система работает в режиме генератора (с самовозбуждением) либо ускорителя когерентных колебаний, Здесь реализованы 10 условия, при которых стохастизация генерируемого (усиливаемого) сигнала не происходит, Это достигается при не слишком высоких усилениях в односекционных системах. В случае высокого усиления исполь зована клистронно-пролетная конструкция системы накачки, где основное усиление происхорит на пролетном участке системы и наложение двух нелинейных резонансов места не имеет. Секции же модуляции и 20 энергоотбора выполнены достаточно короткими, так что процесс стохастизаций усиливаемого сигнала развиться не успевает, Для иллюстрации достоинств устройства приве,ценц данные расчетов, Ориентируемся на 25 конструкцию с параметрами: энергия - 2 МэВ, ток сдвоенного пучка - 2 х 2.А. В односекционной системедля накачки выбираем вигглер с амплитудой поля накачки 500 Гс, периодом 1 мм, длиной 20 см, Радиус пучка полагаем равным 0,4 мм, Тогда для коэффициента усиления находим величину 2,6 раз, т.е. 260 за один проход, В аналогичной однопучковой системе соответственно получаем величину усиления 12-15 О за один проход. Переход к пролетно-клистронной системе позволяет поднять коэффициент слабосигнального усиления до значения 10 и выше, что может быть реализовано(взпринципиальном плане) с помощью прототипа лишь в огромных установках размерами в сотни метров. Здесь же габариты установки составляют величины 6 х 1,5 м (см. фиг. 3), соответственно резко снижается ее вес. Формула изобретения Лазер на свободных электронах, содержащий расположенные последовательно источник релятивистского электронного пучка, систему накачки, электродинамическую систему генерируемого сигнала, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот, повышения устойчивости его работы при снижении веса и габаритов, источник релятивистского электронного. пучка выполнен двухскоростным.1809934 Составитель А,АфониТехред М.Моргентал рректор М,Керецм Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 1301 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Ю